Інтегральний напівпровідниковий детектор іонізуючих випромінювань та спосіб його одержання

5 н. 1Є-**?- ;-£ (Q [ 000 і. О ЯЛЛ СЛУЖГЕ1ЮІО ПОЛЬЗОВАНИЯ ЭКД № СОЮЗ СОВЕТСКИХ СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ РЕСПУБЛИН (19» (5D 8^1436794 А1 Н 01 L 3f/O£9&G 01 Т 1/20 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИИ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4065878/40-25 (22) 0 5 . 0 5 . 8 6 (72) В.Д.Рыжиков, О.П.Вербицкий, Е.М.Селегенев и В.И.Силин (53) 621.387.464(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР № 766294, кл. G 01 Т 1/20, 1979. Авторское свидетельство СССР № 1060035, кл. G 01 Т 1/16, 1983. (54) ИНТЕГРАЛЬНЫЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДЕТЕКТОР ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ (57) Изобретение относится к технике измерений ионизирующих излучений, более конкретно - к интегральному полупроводниковому детектору. Целью изобретения является повыше 41-88 Г ние чувствительности детектора и ее стабильности во времени. Цель достигается тем, что p-n-переход детектора состоит из сцинтиллятора ZnSe(Te) п-типа проводимости и фотоприемного слоя ZnTe vх Seх р-типа либо p-n-переход состоит из сцинтиллятора CdS(Te) п-типа проводимости и фотоприемного слоя CdTe^nS* р-типа. В способе изготовления термообработку проводят при избыточном давлении одного из компонентов в изотермических условиях при 800 1100°С в течение 10 3 -10 7 с. Изобретение позволяет создать целое семейство детекторов нового поколения для ряда применений. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 1 ил., 2 табл. < 9 (Л 1 U36794 Изобретение относится к области регистрации и измерения интенсивности как непрерывных, так и импульсных потоков oi. , р и j -излучений, f рентгеновских лучей, нейтронов и может найти" применение в системах, предназначенных для индикации и исследования этих излучений,- а также в счетчиках частиц. J0 Целью изобретения является повышение чувствительности детектора и ее стабильности во времени в процессе эксплуатации детектора. Согласно предлагаемому изобрете- |5 нию p-n-переход состоит из твердого раствора соединений А В и выполнен в виде оболочки, покрывающей п о верхность сцинтиллятора. В случае сцинтиллятора ZnSe(Te) 20 n-типа проводимости фотоприемным слоем является ZnTe,"_,(Se* р-типа, а в случае сцинтиллятора CdS(Te) n-типа . фотоприемный слой - C d T e ^ * S x р-типа. 25 Согласно изобретению термообработку проводят при избыточном давлении ододного из компонентов сцинтиллятора в изотермических условиях при темпера- • туре 800-1100°С в течение Ю в - 1 0 7 с.т В предлагаемом устройстве в твердом растворе соединений А- В происходит изменение типа проводимости, позволяющее регистрировать световой сигнал, основываясь на фотодиодном принципе, инерционность которого не 35 превышает 1(Г* с. Таким образом, предлагаемый детектор имеет существенное отличие от известных. лавливает высокую чувствительность детектора в целом» в ],5 раза превышающую чувствительность детектора, полученного напылением Cu £ Se на ZnSe или Cu 4 S на CdS. На чертеже показана блок-схема предлагаемого детектора, Сцинтиллятор 1 через низкоомный слой 2 соединен с фотоприемником 3, частью которого является слой 4 твердого раствора сцинтиллятора и фотоприемника. К фотоприемнику 3 подключен металлический контакт 5, к низкоомному слоюеподключен металлический контакт 6. Через контакты 5, 6 к фотоприемнику подключены источник питания 7 и сопротивление нагрузки 8. К сопротивлению нагрузки 8 подключен измерительный прибор 9. Если материал сцинтиллятора низкоомен, то контакт наносится непосредственно на сцинтиллятор . Принцип работы детектора следующий. Ионизирующее излучение, попадая в кристалл сцинтиллятора 1, возбуждает в нем световое излучение. Это излучение попадает на фотоприемник 3, где в слое 4 твердого раствора, содержащем p-n-переход, происходит поглощение света, сопровождающееся генерацией носителей заряда, что приводит к возникновению фотоЭДС и тока через сопротивление нагрузки 8. Падение напряжения на сопротивлении 8 регистрируется измерительным прибором 9, После прекращения ионизируюВ предлагаемом детекторе нанесение 40 щего излучения прекращается световое излучение и восстанавливается равнофотоприемника на спинтиллятор осущевесная концентрация носителей заряда, ствляют в виде оболочки. при которой ток в иепи через сопро'P-n-переход образуется в области тивление нагрузки отсутствует. Время . составов 0,3 < х В, ния диффузия по междоузлиям. С друт.е. во всем диапазоне энергий медигой стороны, чтобы уменьшить вероятцинской вычислительной томографии, ность диффузии по вакансиям, компоэффективность регистрации выше на ненты замещающая (фотоприемника) и 5 20-30% чем ожидаемая. Более детальзамещаемая (сцинтиллятора) должны ное исследование показало, что повысущественно различаться по ионному шение чувствительности связано с радиусу. Вероятность диффузии комвкладом самого фотоприемника в препоненты фотоприемника резко уменьобразование энергии ионизирующего шается, если ее ионный радиус мно10 излучения в электрическую, т.е. гего выше замещаемой компоненты сцинтеропереход работает как полупротиллятора. В противоположность этоводниковый детектор ионизирующих изму требованию высокочувствительлучений. ная гетероструктура получается при незначительном различии ионных раПри нанесении фотоприемника в видиусов р-п-слоев. де оболочки фотоприемник одновреДля того, чтобы сцинтилляционные менно работает как детектор и ионисвойства подложки не ухудшались зирующего, и светового излучения.При при нанесении фотоприемника, необэтом повышение фоточувствительности ходимо сохранение требуемой стехио- 20 фотоприемника превышает ожидаемое в метрии сцинтиллятора при высокой том случае,если приемник используеттемпературе нанесения покрытия. Пося только как полупроводниковый деэтому нанесение покрытия проводят тектор излучений. Специально провев среде избыточного (как правило, денные исследования на фотоприемниболее летучего) компонента сцинтил25 ках показали, что при одинаковой лятора. Однако, присутствие этого (по сравнению с нанесенной на сцинкомпонента не должно приводить к тиллятор) фоточувствительности эфухудшению свойств фотоприемника. фективность его регистрации ионизиСюда следует еще добавить необходирующих излучений не превышает 15 мое условие согласования спектра 30 30% (в диапазоне энергий 200-25 кэВ), излучения сцинтиллятора со спектром эффективности регистрации фотоприфогочувствительности фотоприемниемника, нанесенного на сцинтиллятор. ка. Вследствие отсутствия строгой теории, описывающей процессы преобраСовокупность перечисленных трезования энергии ионизирующего излубований, обеспечивающих сохранение 35 чения в световую и электрическую в сцинтилляционных свойств подложки, полупроводниковых соединениях А 1 В , высокую фоточувствительность фотоуказанный эффект не может быть объясприемника и стабильность всей струкнен в рамках существующих представтуры во времени, кажется противорелений. Предположительно, он объясня'чнвой, не поддается теоретическому 40 ется следующим образом. расчету и представляется с первого взгляда неразрешимой задачей. Вопрос о возможности существования конструкции, представляющей предмет данного изобретения^ способа ее 45 получения мог быть установлен и был решен только после длительного поиска экспериментальным путем. Очевидно, что повышение чувствительности фотоприемника пропорциональ-50 но его площади. В рассматриваемом случае при стандартной форме сцинтиллятора в виде цилиндра светосбор осуществляется в геометрии 4ТТ, и во столько же раз должна увеличиться чувствительность фотоприемника и, соответственно, эффективность регистрации детектором ионизирующего излучения. 1 1 VI Известно,что в соединениях А В наряду с процессами рекомбинации,сопровождающимися образованием пар носителей противоположного знака под действием оптического излучения, происходят противоположные процессы аннигиляции образующихся пар носителей. Это приводит к уменьшению реально регистрируемых измерительным устройством пар носителей и эффективность преобразования световой энергии в электрическую,как правило, не превышает 50%. По-видимому, в рассматриваемом случае вследствие того, что описываемый процесс происходит на фоне воздействия ионизирующего излучения, существенно меняются условия 5 • 1436794 аннигиляции образующихся под воздейвыходнои сигнал н вентильном режиме ствием светового излучения носителей 1,0 ед. разного знаки, заметно уменьшается П р и м е р 3. Проводился аналовероятность перехода их в такие разгично примеру 1, Отличие в режиме решенные состояния, при которых антермообработки;! « 11OOeC,t = 10 7 с; нигиляция осуществляется, выходной сигнал в вентильном режиТак как фотоприемник выполнен в. ме 1,5 ед. виде оболочки, охватывающей всю поП р и м е р 4, Проводился анаверхность сцинтиллятора, то незавилогично примеру 1, Отличие в режиме симо от его расположения относительтермообработки: Т - 1000°C,t = 1 0 3 с; но источника излучения всегда имевыходной сигнал в вентильном режиме ется плоскость входного окна ионизи1,5 ед. рующего излучения, в которой региП р и м е р 5. Проводился аналострация светового излучения произгично примеру 1.Отличие в режиме терводится на фоне интенсивного воздеймообработки: Т = 1000 e C, t = 1 0 7 с; ствия на фотослой проникающей радиавыходной сигнал в вентильном режиме ции. 1,8 ед. Именно такой процесс, видимо, приЗависимость чувствительности инводит к обнаруженному нами повышению 2 п тегральното детектора ионизирующих на 20-30%. излучении от условии нанесения диП р и м е р 1. Сцинтилляционный одного слоя: температуры и времени терэлемент в виде прямоугольного памообработки показана в табл.1 (сцинраллелепипеда из ZnSe(Te) размерами тиллятор ZnSe(Te), фотопокрытие 5x7x10 мм после механического шли- 25 ZnTe). фования и полировки до 12 класса чисТ а б л и ц а 1 тоты поверхности промывают водным раствором щелочи NaOH и затем дистиллированной водой. Чувствительность, отн .ед • » t, с Элемент помещают в кварцевую при Т*( С) 3D ампулу объемом **2Ь см с добавкой ZnTe^-0,1 г и Zn 0,02 г. Ампулу 1 100 800 1000 откачивают до остаточного давления Ю"2" торр « 1 Па и герметизируют за3 пайкой. 1,6 1 1,5 35 .о Герметизированную ампулу нагревают в печи до Т = 1ооо"с и выдер1,5 2 1 .3 живают в течение с = 1 0 г ' с.давление 1 паров пинка достигает 10 Па, Тем1 ,5 1 8 '. , іо 5 1, пература снижается ср скоростью не 40 более 60 /ч. Сцинтиллятор с образовавшимися на нем диодным слоем твердого растФотодиодная структура в системе вора ZnSe x Te 4 _x 0,2 С х 10 7 с приводит к увеличению толгией Ю О к э В получен выходной сигнал щины самокомпенсированного слоя твердого раствора, что уменьшает эффек0,2 В (2 ед) с постоянной времени 4 тивность регистрации светового сигспада С = 5 - Ю" с . 55 нала, и соответственно - чувствительность детектора. П р и м е р 2 Проводился анаИз данных табл.1 следует, что оплогично примеру 1 Отличие в режиме тимальными для получения интегральтермообработки: Т = 800°, t ~ 10' с; 1 7' 1436794 8 його детектора в системе ZnSe-ZnTe юших излучений, отвечающего требоваявляются Т • 1QOO°C, t = 1 0 s с. ниям к устройствам такого назначеИнтегральный детекторов котором ния. сцинтиллятором является CdS(Te), a 5 фотоприемником CdTe с максимальной Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я чувствительностью 1 ед.,получен термообработкой CdS(Te) при Т 1. Интегральный полупроводнико800*C в течение 10 f с при давлении паров вый детектор ионизирующих излучений, теллура 10 Па. 10 содержащий выполненные из соединений A" BV* сцинтиллятор и интегральУменьшенная чувствительность дено нанесенный на < него фотоприемник, тектора на основе CdS-CdTe связана образующий p-n-переход с материалом с наличием в спектре люминесценции сцинтилпятора, о т л и ч а ю щ и й - * двух максимумов и меньшей абсолютной чувствительностью самой диодной 15 с я тем, что, с целью повышения структуры. чувствительности детектора и ее стаСравнение свойств предлагаемого бильности во времени,р-п-переход детектора и прототипа показаны в состоит из твердого раствора соедиИ 11 / табл.2* неннй А В , покрывающего поверх20 ность сцинтиллятора. Т а б л и ц а 2. Детектор п о п , 1 , о т л и ч а щ и й с я тем, что p-n-переход соДетектор Чувстви- Стабильстоит из сцинтиллятора ZnSe(Te) п-тительность ность, па проводимости и фотоприемного слоя отн.ед. через 25 C d T e ^ K S р-типа. 0,5 года 3. Детектор по п.1, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что p-n-переход состоит из сцинтиллятора CdS(Te) п-тиПрототип из сопа проводимости и фотоприемного слоя единений А" В 30 CdTe 4-к S р-типа. 0,3-0,4 1-1,5 - A11 B w 4. Способ получения интегрального полупроводникового детектора иониЗаявляемый из зирующих излучений, включающий терсоединений мообработку сцинтиллятора и соедиА11 В* ZnSe(Te)35 нения, образующего с материалом 1,5-2 1,5-1,8 -ZnTe сцинтиллятора фотодиодную структуру, о т л и ч а ю щ и й с я тем, Заявляемый из сочто, с целью увеличения чувствительединений CdS(Te)іности детектора за счет повышения 1-1,5 0,9-1,3 -CdTe 40 световыхода сцинтиллятора в заданной спектральной области9 термообработку проводят при избыточном давлении одного из компонентов сцинтиллятора ' Изобретение обеспечивает создав изотермических условиях при темусловиях ние высокочувствительного стабиль45 пературе Т = 800-М00°С, в течение ного во времени детектора иониэиру10-10 с 1436794 о 6 Редактор И.Шубина Составитель Б.Рахманов Техред А.Кравчук Корректор Н.Васильева Заказ 1272/ДСП Тираж 433 Подписное ВІІИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная,