[go: up one dir, main page]

RU236141U1 - HIGH-SPEED DETECTOR BASED ON WIDE-BAND SEMICONDUCTOR MATERIAL FOR REGISTRATION OF PULSED X-RAY RADIATION - Google Patents

HIGH-SPEED DETECTOR BASED ON WIDE-BAND SEMICONDUCTOR MATERIAL FOR REGISTRATION OF PULSED X-RAY RADIATION

Info

Publication number
RU236141U1
RU236141U1 RU2024123382U RU2024123382U RU236141U1 RU 236141 U1 RU236141 U1 RU 236141U1 RU 2024123382 U RU2024123382 U RU 2024123382U RU 2024123382 U RU2024123382 U RU 2024123382U RU 236141 U1 RU236141 U1 RU 236141U1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
gaas
layer
pulsed
ray radiation
detector
Prior art date
Application number
RU2024123382U
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Елена Петровна Романтеева
Original Assignee
Елена Петровна Романтеева
Filing date
Publication date
Application filed by Елена Петровна Романтеева filed Critical Елена Петровна Романтеева
Application granted granted Critical
Publication of RU236141U1 publication Critical patent/RU236141U1/en

Links

Abstract

Полезная модель относится к полупроводниковым приборам для преобразования ионизирующего излучения в электрический сигнал, измерение которого позволяет определить уровень радиации и набранную дозу импульсного рентгеновского излучения. Быстродействующий детектор на основе широкозонного полупроводникового материала для регистрации импульсного рентгеновского излучения представляет собой p-i-n-детектор, содержащий чувствительный элемент со структурой p+/i/n+, помещенный в корпус СППД11-хх. Чувствительный элемент выполнен в виде p-i-n-структуры, выполненной методом газофазной эпитаксии из металлорганических соединений при пониженном давлении и температурах, содержащей подложку GaAs, состоящую из: слоя i-GaAs; слоя n+-GaAs; сплошного контакта Pt/TiN/Ag; слоя p+-GaAs; слоя металлизации Ti/Pd/Au; слоя полиамида. Техническим результатом полезной модели является повышение быстродействия детекторов в 1,5-2 раза и увеличение амплитуды полезного сигнала в 1,5-3 раза. 3 ил. The utility model relates to semiconductor devices for converting ionizing radiation into an electrical signal, the measurement of which makes it possible to determine the radiation level and the accumulated dose of pulsed X-ray radiation. A high-speed detector based on a wide-gap semiconductor material for recording pulsed X-ray radiation is a pin detector containing a sensitive element with a p+/i/n+ structure, placed in an SPPD11-xx housing. The sensitive element is made in the form of a pin structure produced by the method of gas-phase epitaxy from organometallic compounds at reduced pressure and temperatures, containing a GaAs substrate consisting of: an i-GaAs layer; an n+-GaAs layer; a continuous Pt/TiN/Ag contact; a p+-GaAs layer; a Ti/Pd/Au metallization layer; a polyamide layer. The technical result of the utility model is an increase in the detector response time by 1.5-2 times and an increase in the amplitude of the useful signal by 1.5-3 times. 3 fig.

Description

Основным преимуществом быстродействующего детектора на основе широкозонного полупроводникового материала для регистрации импульсного рентгеновского излучения является высокая устойчивость к радиационным нагрузкам. К их недостаткам можно отнести неудовлетворительное пространственное разрешение, что не позволяет использовать их в системах позиционирования луча или распознавания плоских изображений.The main advantage of a high-speed detector based on a wide-band semiconductor material for recording pulsed X-ray radiation is high resistance to radiation loads. Their disadvantages include unsatisfactory spatial resolution, which does not allow them to be used in beam positioning systems or flat image recognition.

Область техникиField of technology

Полезная модель относится к полупроводниковым приборам для преобразования ионизирующего излучения в электрический сигнал, измерение которого позволяет определить уровень радиации и набранную дозу импульсного рентгеновского излучения. В частности, полезная модель относится к технике регистрации ионизирующего излучения, в частности к детекторам импульсного рентгеновского излучения, представляющим собой p-i-n-детектор, предназначенный для использования в различных системах измерения уровней радиации, дозиметрах, индикаторах превышения фона и радиометрах, в т.ч. для индивидуального контроля радиоактивного облучения и для предупреждения о радиоактивной опасности, а также в медицинской диагностике.The utility model relates to semiconductor devices for converting ionizing radiation into an electrical signal, the measurement of which allows determining the radiation level and the accumulated dose of pulsed X-ray radiation. In particular, the utility model relates to the technology of recording ionizing radiation, in particular to pulsed X-ray radiation detectors, which are a p-i-n detector intended for use in various radiation level measurement systems, dosimeters, background excess indicators and radiometers, including for individual monitoring of radioactive exposure and for warning of radioactive hazard, as well as in medical diagnostics.

Уровень техникиState of the art

Полупроводниковые чувствительные элементы на основе p-i-n-детекторов получили широкое распространение как приборы для регистрации импульсного рентгеновского излучения с высокой разрешающей способностью. Принцип их работы основан на том, что при прохождении через детектор ионизующей частицы заряд, индуцированный в веществе детектора, собирается на электродах.Semiconductor sensitive elements based on p-i-n detectors have become widely used as devices for recording pulsed X-ray radiation with high resolution. Their operating principle is based on the fact that when an ionizing particle passes through the detector, the charge induced in the detector substance is collected on the electrodes.

Важной особенностью полупроводниковых детекторов являются их малые габариты. Это сильно расширило возможности применения таких детекторов не только в области физического эксперимента, но и в технике - в приборах технологического контроля и в медицине.An important feature of semiconductor detectors is their small dimensions. This has greatly expanded the possibilities of using such detectors not only in the field of physical experiments, but also in technology - in process control devices and in medicine.

Технической проблемой заявленной полезной модели является обеспечение возможности применения чувствительного элемента по электрическим параметрам и габаритным размерам в корпусах детекторов типа СППД11-хх.The technical problem of the claimed utility model is to ensure the possibility of using a sensitive element in terms of electrical parameters and overall dimensions in the housings of detectors of the SPPD11-xx type.

Из уровня техники известно, что наиболее близким к заявляемой полезной модели является кремниевый чувствительный элемент (полезная модель РФ RU 140489 U1) Производимые чувствительные элементы импульсного рентгеновского излучения на основе полупроводникового кремния обеспечивают быстродействие на уровне 1,5-2 нс, что ограничивает их применение при решении современных задач ядерной и радиационной физики.It is known from the state of the art that the closest to the claimed utility model is a silicon sensitive element (utility model of the Russian Federation RU 140489 U1). The produced sensitive elements of pulsed X-ray radiation based on semiconductor silicon provide a response speed of 1.5-2 ns, which limits their use in solving modern problems of nuclear and radiation physics.

Предложено изготовление детектора на основе арсенида галлия с высокой пороговой чувствительностью и низким уровнем шума (патент RU 2307426 C1). Это достигается за счет конструкции, которая позволяет преобразовывать энергию частиц или квантов ионизирующего излучения в неравновесные электронно-дырочные пары, накапливать и сохранять заряд и неразрушающим образом считывать информацию о накопленном заряде во время накопления во внешнюю цепь. Однако в конструкцию вводят изолирующий слой Ga1-xAlxAs, имеющий общую границу со слоем GaAs-GaAs, содержащий контактирующую с ним подложку, полуизолирующий арсенидно-галлиевый слой и барьерный контакт. Изолирующий слой Ga1-xAlxAs и указанный барьерный контакт располагают на полупроводниковом слое из нелегированного арсенида галлия, далее, в нелегированном слое GaAs и изолирующем слое из арсенида галлия-алюминия, пока полуизолирующий слой GaAs не сформирует локальную область проводимости p-типа и область с высоким сопротивлением, окружающую периферию контактного барьера. Предлагаемая конструкция устройства позволяет накапливать и сохранять информационный заряд, исключает вклад компонентов теплового и дробового шума, присущих резистивным детекторам, в режиме текущего считывания, что позволяет значительно повысить пороговую чувствительность и энергетическое разрешение датчика. Однако, из-за небольшого размера ячейки такая конструкция эффективна только для случая матричной организации детектора.It is proposed to manufacture a detector based on gallium arsenide with a high threshold sensitivity and a low noise level (patent RU 2307426 C1). This is achieved due to the design, which allows to convert the energy of particles or quanta of ionizing radiation into nonequilibrium electron-hole pairs, accumulate and store the charge and non-destructively read information about the accumulated charge during accumulation in the external circuit. However, an insulating layer of Ga 1-x Al x As is introduced into the design, having a common boundary with the GaAs-GaAs layer, containing a substrate in contact with it, a semi-insulating arsenide-gallium layer and a barrier contact. The insulating layer of Ga 1-x Al x As and the said barrier contact are placed on the semiconductor layer of undoped gallium arsenide, then in the undoped layer of GaAs and the insulating layer of gallium-aluminum arsenide until the semi-insulating layer of GaAs forms a local region of p-type conductivity and a region with high resistance surrounding the periphery of the contact barrier. The proposed design of the device allows accumulating and storing the information charge, eliminates the contribution of the components of thermal and shot noise inherent in resistive detectors in the current reading mode, which allows significantly increasing the threshold sensitivity and energy resolution of the sensor. However, due to the small size of the cell, such a design is effective only for the case of a matrix organization of the detector.

В работе UA 8064 A арсенид-галлиевые эпитаксиальные диодные p/i/n-структуры получают из жидкой фазы. Данный метод обеспечивает получение диодной структуры с напряжением пробоя p-n-перехода 100-1500 В и временем обратного восстановления 20-200 не в условиях измерений при плотности прямого тока 50 А/см2 и скорости спада прямого тока 200 А/мкс при максимально допустимой температуре перехода +260°С.In the work UA 8064 A gallium arsenide epitaxial p/i/n diode structures are obtained from the liquid phase. This method provides obtaining a diode structure with a pn junction breakdown voltage of 100-1500 V and a reverse recovery time of 20-200 nsec under measurement conditions at a forward current density of 50 A/ cm2 and a forward current decay rate of 200 A/μs at a maximum permissible junction temperature of +260°C.

Недостатком метода является сложность реализации в промышленных масштабах, так как большинство операций допускает большого количества брака.The disadvantage of the method is the difficulty of implementation on an industrial scale, since most operations allow for a large amount of defective products.

Изготавливают детектор GaAs со структурой p+/i/n+ с помощью выращивания подложки с определенным легированием (патент US 20040069213 A1), после чего полируют подложку для уменьшения ее толщины до 10 мкм. Следом проводят отжиг, в результате чего формируется структура p+/i/n+. Последующим шагом изготавливают омические контакты по обеим сторонам. За этим этапом следует маскирование, а после процесс травления.A GaAs detector with a p+/i/n+ structure is manufactured by growing a substrate with a certain doping (patent US 20040069213 A1), after which the substrate is polished to reduce its thickness to 10 µm. Then annealing is carried out, as a result of which a p+/i/n+ structure is formed. The next step is to make ohmic contacts on both sides. This step is followed by masking, and then the etching process.

Преимуществом метода является то, что данный детектор может быть использован для обнаружения фотонов, энергия которых находится в диапазоне между 20 и 60 кэВ.The advantage of the method is that this detector can be used to detect photons whose energy is in the range between 20 and 60 keV.

Недостатком метода является использование метода литографии, а также дополнительное минимальное введение дефектов, чтобы оказать незначительное влияние на характеристики детектора, где мощность одного из пикселей детектора будет измеряться по отношению к дозе облучения.The disadvantage of the method is the use of the lithography method, as well as the additional minimal introduction of defects in order to have a minor impact on the characteristics of the detector, where the power of one of the detector pixels will be measured in relation to the radiation dose.

GaAs-детектор (патент WO 9635236 A1) содержит: a) монокристаллический покрывающий слой с высоким удельным сопротивлением (LTG), имеющий плотность улавливания более 10 см3, указанный слой нанесен по меньшей мере на одну сторону пластины GaAs поверх поверхности GaAs, предпочтительно методом молекулярно-лучевого эпитаксиального роста (MBE) с молекулярными потоками Ga и As при пониженной температуре пластины с образованием сильно нестехиометрического слоя, имеющего максимальную толщину 20 нм.The GaAs detector (patent WO 9635236 A1) comprises: a) a monocrystalline high-resistivity coating layer (LTG) having a trapping density of more than 10 cm3 , said layer being applied to at least one side of a GaAs wafer over a GaAs surface, preferably by molecular beam epitaxial growth (MBE) with molecular flows of Ga and As at a reduced wafer temperature to form a highly non-stoichiometric layer having a maximum thickness of 20 nm.

Преимуществом данного способа является достижение улучшенной производительности с точки зрения захвата заряда для обнаружения α-частиц с энергией 5,48 МэВ от Am241 и между 85 и 93% для детектора толщиной 200 мкм. Благодаря зеркально-симметричному расположению электродов и использованию покрывающего слоя для α-частиц достигается энергетическое разрешение менее 6 Вт, а также в уменьшении токов потерь на границе раздела и на поверхности. Кроме того, радиационная стойкость GaAs-детектора больше не зависит от радиационной стойкости покрывающего слоя, как в случае SiO2 или Si3N4, а только от радиационной стойкости исходного материала GaAs. Это связано с использованием покрывающего слоя, изготовленного из того же материала GaAs, что и основной материал. Этот вариант осуществления особенно подходит для случаев, когда должно быть возможным серийное производство детектора с очень тонкими активными частями.The advantage of this method is the achievement of improved performance in terms of charge capture for the detection of α-particles with an energy of 5.48 MeV from Am241 and between 85 and 93% for a detector with a thickness of 200 μm. Due to the mirror-symmetric arrangement of the electrodes and the use of a capping layer for α-particles, an energy resolution of less than 6 W is achieved, as well as in the reduction of loss currents at the interface and on the surface. In addition, the radiation hardness of the GaAs detector no longer depends on the radiation hardness of the capping layer, as in the case of SiO2 or Si3N4 , but only on the radiation hardness of the original GaAs material. This is due to the use of a capping layer made of the same GaAs material as the base material. This embodiment is particularly suitable for cases where serial production of a detector with very thin active parts should be possible.

Недостатком метода является дополнительная термическая обработка слоя металлизации, который уже был испарен, с целью достижения необходимого снижения энергетического барьера на границе раздела металлизации с GaAs.The disadvantage of the method is the additional thermal treatment of the metallization layer, which has already been evaporated, in order to achieve the necessary reduction in the energy barrier at the interface between the metallization and GaAs.

Единовременно получают p-i-n-структуру GaAs (патент RU 2610388 C2), имеющую р, i и n области в одном эпитаксиальном слое, в ходе процесса эпитаксии при выращивании высокоомной i-области, ограниченной с двух сторон слаболегированными р- и n-областями с использованием разработанного режима охлаждения, позволяющего без дополнительного увеличения ростового зазора между подложками сформировать необходимый профиль распределения концентрации носителей в базовой области структуры. диоды с использованием стандартных методов фотолитографии, травления, напыления и вжигания контактов.A p-i-n GaAs structure (patent RU 2610388 C2) with p, i and n regions in one epitaxial layer is obtained simultaneously during the epitaxy process during the growth of a high-resistance i-region, limited on both sides by lightly doped p- and n-regions using a developed cooling mode, which allows the formation of the required carrier concentration distribution profile in the base region of the structure without an additional increase in the growth gap between the substrates. diodes using standard methods of photolithography, etching, sputtering and contact annealing.

Преимущество в том, что технический результат, достигаемый при реализации разработанного способа, состоит в снижении прямого падения напряжения GaAs p-i- n структуры при одновременном уменьшении величины времени обратного восстановления. повышается быстродействие структуры, поскольку в толстых слаболегированных р- и n-областях аккумулируется большой заряд накопления во время протекания прямого тока за счет большой плотности неосновных носителей заряда, а это увеличивает время обратного восстановления и, следовательно, ухудшает динамику диода. Метод позволяет значительно улучшить, по сравнению с ближайшим аналогом, основные технические параметры GaAs p-i-n структур.The advantage is that the technical result achieved by implementing the developed method consists in reducing the forward voltage drop of the GaAs p-i- n structure while simultaneously reducing the reverse recovery time. The structure's response speed increases, since a large accumulation charge accumulates in thick, lightly doped p- and n-regions during the forward current flow due to the high density of minority charge carriers, and this increases the reverse recovery time and, consequently, worsens the diode dynamics. The method allows significantly improving, compared to the closest analogue, the main technical parameters of GaAs p-i-n structures.

Недостатком такого способа можно признать получение легированной p-i- n-структуры GaAs, а также использование литографии в процессе изготовления.The disadvantage of this method is the production of a doped p-i-n structure of GaAs, as well as the use of lithography in the manufacturing process.

Способ единовременного получения p-i-n структуры GaAs, имеющей р-, i- и n-области в одном эпитаксиальном слое (патент RU 2488911), включающий нагрев исходной шихты до образования насыщенного раствора-расплава ее компонентов, взаимодействие раствора-расплава с компонентами для получения заданного состава раствора-расплава, осуществление контакта подложки с полученным раствором-расплавом, последующее принудительное охлаждение для выращивания эпитаксиального слоя GaAs, имеющего p-i-n-структуру, удаление подложки, покрытой слоем GaAs, имеющим p-i-n-структуру, из-под расплава, причем компонентные составы растворов-расплавов для выращивания GaAs p-i-n-структуры формируют в обезвоженной атмосфере путем предварительного введения в исходную шихту в определенных количествах как минимум двух дополнительных твердых компонентов, представляющих собой диоксид кремния SiO2 и оксид галлия (III), с последующим нагревом этой многокомпонентной шихты до температуры начала эпитаксии и выдержкой при этой температуре заранее установленное время.A method for the simultaneous production of a pin structure of GaAs having p-, i- and n-regions in one epitaxial layer (patent RU 2488911), comprising heating the initial batch to form a saturated melt solution of its components, the interaction of the melt solution with the components to obtain a given composition of the melt solution, contacting the substrate with the obtained melt solution, subsequent forced cooling to grow an epitaxial layer of GaAs having a pin structure, removing the substrate covered with a GaAs layer having a pin structure from under the melt, wherein the component compositions of the melt solutions for growing the GaAs pin structure are formed in a dehydrated atmosphere by preliminary introducing into the initial batch in certain quantities at least two additional solid components, which are silicon dioxide SiO 2 and gallium oxide (III), followed by heating this multicomponent batch to the epitaxy onset temperature and holding at this temperature for a pre-set time.

Недостатком известного способа можно признать высокое прямое падение напряжения получаемой GaAs p-i-n-структуры при одновременном значительном времени обратного восстановления.The disadvantage of the known method can be recognized as the high forward voltage drop of the resulting GaAs p-i-n structure with a simultaneous significant reverse recovery time.

GaAs (WO 201420112) создан с использованием известного, но малоиспользуемого метода выращивания полупроводниковых кристаллов из паровой фазы - гидридно-фазовой эпитаксии низкого давления (LP-HVPE) для получения GaAs с уникальными свойствами сверхдлинного срока службы свободных носителей. Этот метод улучшает состояние полупроводниковых материалов для различных применений, включая детекторы излучения высокого разрешения, значительно улучшает качество материала и является масштабируемым для производства больших количеств и размеров апертур.GaAs (WO 201420112) is created using a well-known but little-used method of growing semiconductor crystals from the vapor phase - low-pressure hydride phase epitaxy (LP-HVPE) to produce GaAs with unique properties of ultra-long free-carrier lifetime. This method improves the state of the art of semiconductor materials for various applications including high-resolution radiation detectors, significantly improves material quality, and is scalable for the production of large quantities and aperture sizes.

Преимущество метода в том, что GaAs, полученный методом LP-HVPE с высоким сроком службы свободных носителей, потенциально может оказать большое влияние в области полупроводниковых детекторов излучения, обеспечивая материал с высоким энергетическим разрешением, который может работать при комнатной температуре. Эти кристаллы, выращенные из паровой фазы, будут более воспроизводимыми, и их будет проще выращивать (и, следовательно, дешевле), чем кристаллы CdZnTe (в настоящее время предпочтительный материал для детектирования излучения при комнатной температуре).The advantage of the method is that LP-HVPE GaAs with a high free carrier lifetime has the potential to have a major impact in the field of semiconductor radiation detectors, providing a high energy resolution material that can operate at room temperature. These vapor-grown crystals will be more reproducible and easier to grow (and therefore cheaper) than CdZnTe crystals (the current material of choice for room-temperature radiation detection).

Недостатком данной работы можно считать то, что описание и иллюстрация изобретения являются примером, и изобретение не ограничивается точными показанными или описанными деталями.A disadvantage of this work may be considered to be that the description and illustration of the invention are an example, and the invention is not limited to the exact details shown or described.

Раскрытие сущности полезной моделиDisclosure of the essence of the utility model

Задачей полезной модели является разработка рентгеновского детектора для регистрации ионизирующего рентгеновского излучения в широком диапазоне энергий и потоков.The objective of the utility model is to develop an X-ray detector for recording ionizing X-ray radiation in a wide range of energies and fluxes.

Техническим результатом полезной модели является повышение быстродействия детекторов в 1,5-2 раза и увеличение амплитуды полезного сигнала в 1,5-3 раза за счет применения слоистой структуры p+/i/n+GaAs и технологии корпусирования в корпус СППД11-хх. Это в свою очередь позволило создать высокочувствительные детекторы с субнаносекундным быстродействием, увеличить амплитуду полезного сигнала и сделать прибор с более длительным сроком службы.The technical result of the utility model is an increase in the detector speed by 1.5-2 times and an increase in the useful signal amplitude by 1.5-3 times due to the use of a layered structure p+/i/n+GaAs and the technology of packaging in the SPPD11-xx housing. This, in turn, made it possible to create highly sensitive detectors with subnanosecond speed, increase the useful signal amplitude and make a device with a longer service life.

Технический результат достигается за счет того, что чувствительный элемент из определенной слоистой структуры широкозонного полупроводникового материала (p+/i/n+GaAs) будет помещен в корпус СППД11-хх. В связи с этим, повышается субнаносекундное быстродействие, увеличивается амплитуда полезного сигнала и повышается сроком службы прибора.The technical result is achieved due to the fact that the sensitive element from a certain layered structure of wide-bandgap semiconductor material (p+/i/n+GaAs) will be placed in the housing of the SPPD11-xx. In this regard, the subnanosecond speed increases, the amplitude of the useful signal increases and the service life of the device increases.

Поставленная задача решается тем, что чувствительный элемент представляет собой p-i-n-структуру, выполненную методом газофазной эпитаксии из металлорганических соединений при пониженном давлении и температурах, содержащую подложку GaAs, состоящую из:The problem is solved by the fact that the sensitive element is a p-i-n structure made by the method of gas-phase epitaxy from organometallic compounds at reduced pressure and temperatures, containing a GaAs substrate consisting of:

слой i-GaAs;i-GaAs layer;

слой n+-GaAs;n+-GaAs layer;

сплошной контакт Pt/TiN/Ag.solid contact Pt/TiN/Ag.

слой p+-GaAs;p+-GaAs layer;

слой металлизации Ti/Pd/Au;Ti/Pd/Au metallization layer;

слой полиамида.polyamide layer.

При этом структура кристалла формировалась из нескольких слоев: p+-GaAs (0,3 мкм), i-GaAs (40 мкм), n+-GaAs (500 мкм). Для создания омического контакта к слою n+-GaAs на поверхности формировался сплошной контакт Pt/TiN/Ag общей толщиной 0,1 мкм. Для формирования составного омического контакта с подложкой p+-GaAs использовалась металлизация Ti/Pd/Au толщиной 100 нм.The crystal structure was formed from several layers: p+-GaAs (0.3 μm), i-GaAs (40 μm), n+-GaAs (500 μm). To create an ohmic contact to the n+-GaAs layer, a continuous Pt/TiN/Ag contact with a total thickness of 0.1 μm was formed on the surface. To form a composite ohmic contact with the p+-GaAs substrate, Ti/Pd/Au metallization with a thickness of 100 nm was used.

Элемент корпуса был изготовлен из медных листов, из которого получали окружность диаметром 9 мм с помощью установки резки струной. Нижнее основание подвергалось никелированию.The body element was made from copper sheets, from which a circle of 9 mm in diameter was obtained using a wire cutting machine. The lower base was nickel-plated.

Из материала Ситалла диаметра 9 мм были изготовлены окружности для верхнего основания, которые напылялись с лицевой стороны металлическим слоем с помощью вакуумного напыления (слой Al толщиной 1 мкм). Процесс резки проводился на Лазерной установке раскроя LaserCut. Тыльная сторона покрывалась токопроводящим клеем и сушилась на воздухе в течение 24 ч.Circles for the upper base were made from 9 mm diameter Sitalla material, which were sprayed on the front side with a metal layer using vacuum spraying (Al layer 1 μm thick). The cutting process was carried out on a LaserCut laser cutting machine. The back side was coated with conductive glue and dried in the air for 24 hours.

Приваривались провода (в количестве 4 шт.) к образцу с помощью микросварки. После процесса микросварки наносили герметик (Компаунд КЛТ-30) на образец и давали ему полностью высохнуть.Wires (4 pieces) were welded to the sample using microwelding. After the microwelding process, a sealant (KLT-30 Compound) was applied to the sample and it was allowed to dry completely.

Способ изготовления быстродействующего детектора на основе широкозонного полупроводникового материала для регистрации импульсного рентгеновского излучения включает в себя: изготовление чувствительного элемента из GaAs, изготовление корпуса чувствительного элемента и помещение корпуса чувствительного элемента с GaAs в корпус СППД11-хх.The method for manufacturing a high-speed detector based on a wide-bandgap semiconductor material for recording pulsed X-ray radiation includes: manufacturing a sensitive element from GaAs, manufacturing a housing for the sensitive element, and placing the housing of the sensitive element with GaAs in the housing of the SPPD11-xx.

Изготовленный чувствительный элемент из p+-GaAs (0,3 мкм), i-GaAs (40 мкм), n+-GaAs (500 мкм) обладает меньшим по диаметру входным окном, у данного чувствительного элемента меньшее рабочее напряжение, он обладает высоким быстродействием и меньшими темновыми токами.The sensitive element made of p+-GaAs (0.3 µm), i-GaAs (40 µm), n+-GaAs (500 µm) has a smaller diameter input window, this sensitive element has a lower operating voltage, it has high response speed and lower dark currents.

Краткое описание чертежейBrief description of the drawings

Полезная модель поясняется чертежами, где The utility model is illustrated by drawings, where

на фиг. 1 схематично представлено изображение кристалла GaAs; Fig. 1 shows a schematic image of a GaAs crystal;

на фиг. 2 схематично представлено изображение корпуса чувствительного элемента - вид сбоку; Fig. 2 shows a schematic image of the sensing element housing - side view;

на фиг. 3. представлено изображение корпуса чувствительного элемента в 3D - вид сбоку.Fig. 3 shows a 3D image of the sensitive element housing - side view.

Позициями на фиг. 1 обозначены: The positions in Fig. 1 indicate:

1 - слой p+-GaAs; 1 - p+-GaAs layer;

2 - слой металлизации Ti/Pd/Au; 2 - Ti/Pd/Au metallization layer;

3 - слой полиамида; 3 - polyamide layer;

4 - слой i-GaAs; 4 - i-GaAs layer;

5 - слой n+-GaAs; 5 - n+-GaAs layer;

6 - сплошной контакт Pt/TiN/Ag.6 - solid contact Pt/TiN/Ag.

Позициями на фиг. 2 обозначены: The positions in Fig. 2 indicate:

7 - кристалл из p+/i/ n+ - GaAs; 7 - crystal of p+/i/n+ - GaAs;

8 - герметик; 8 - sealant;

9 - металл (Cu).9 - metal (Cu).

Осуществление полезной моделиImplementation of a utility model

Быстродействующий детектор на основе широкозонного полупроводникового материала для регистрации импульсного рентгеновского излучения, представляет собой p-i-n-структуру, выполненную методом газофазной эпитаксии из металлорганических соединений при пониженном давлении и температурах. Детектор содержит подложку GaAs (фиг. 1), состоящую из слоя p+-GaAs - 1, из слоя металлизации Ti/Pd/Au - 2; из слоя полиамида - 3; из слоя i-GaAs - 4; из слоя n+-GaAs - 5; из сплошного контакта Pt/TiN/Ag - 6. Толщина слоев p+-GaAs (0,3 мкм), i-GaAs (40 мкм), n+-GaAs (500 мкм), толщина омического контакта к слою n+-GaAs на поверхности из Pt/TiN/Ag 0,1 мкм, толщина составного омического контакта с подложкой p+-GaAs из Ti/Pd/Au 100 нм.A high-speed detector based on a wide-bandgap semiconductor material for recording pulsed X-ray radiation is a p-i-n structure produced by the method of gas-phase epitaxy from organometallic compounds at reduced pressure and temperatures. The detector contains a GaAs substrate (Fig. 1) consisting of a p+-GaAs layer - 1, a Ti/Pd/Au metallization layer - 2; a polyamide layer - 3; an i-GaAs layer - 4; an n+-GaAs layer - 5; from a continuous Pt/TiN/Ag contact - 6. The thickness of the p+-GaAs (0.3 µm), i-GaAs (40 µm), n+-GaAs (500 µm) layers, the thickness of the ohmic contact to the n+-GaAs layer on the Pt/TiN/Ag surface is 0.1 µm, the thickness of the composite ohmic contact with the p+-GaAs substrate made of Ti/Pd/Au is 100 nm.

Для проверки работоспособности был создан опытный образец быстродействующий детектор на основе широкозонного полупроводникового материала для регистрации импульсного рентгеновского излучения, в котором полупроводниковый детектор представляет собой p-i-n-структуру. Конструктивное решение изготовленного чувствительного элемента соответствует на фиг. 1. Далее изготавливался корпус для чувствительного элемента, для этого необходим медный лист, из которого вырезали окружность диаметром 9 мм с помощью установки резки струной. Нижнее основание подвергалось никелированию. Из материала Ситалла окружности такого же диаметра (9 мм) напыляли с лицевой стороны металлический слой с помощью вакуумного напыления (слой Алюминия толщиной 1 мкм). Процесс резки проводили на установке Лазерная установка раскроя LaserCut. Тыльную сторону покрывали токопроводящим клеем на серебре и сушили сутки на воздухе. Приваривание проводов (в количестве 4 шт.) к образцу проводилось с помощью микросварки, затем наносился герметик.To test the operability, a prototype of a high-speed detector was created based on a wide-band semiconductor material for recording pulsed X-ray radiation, in which the semiconductor detector is a p-i-n structure. The design solution for the manufactured sensitive element corresponds to Fig. 1. Then, a housing for the sensitive element was manufactured, for which a copper sheet was required, from which a circle with a diameter of 9 mm was cut out using a wire cutting unit. The lower base was nickel-plated. A metal layer was sprayed from the front side of a circle of the same diameter (9 mm) using vacuum spraying (aluminum layer 1 μm thick). The cutting process was carried out on a LaserCut laser cutting unit. The back side was covered with conductive glue on silver and dried for a day in the air. Welding of wires (in the amount of 4 pcs.) to the sample was carried out using microwelding, then a sealant was applied.

Быстродействующий детектор на основе широкозонного полупроводникового материала для регистрации импульсного рентгеновского излучения работает следующим образом. A high-speed detector based on a wide-bandgap semiconductor material for recording pulsed X-ray radiation operates as follows.

Кванты импульсного рентгеновского излучения, попадая в материал чувствительного элемента, взаимодействуют с ним, что приводит к рождению, в зависимости от энергии падающего кванта: фотоэлектрона, комптоновского электрона или электрон-позитронной пары. Заряженные частицы проникают в чувствительную область и генерируют в нем электронно-дырочные пары. Носители заряда (электроны и дырки) под действием приложенного к полупроводниковому элементу электрического поля "рассасываются", перемещаются к электродам. В результате во внешней цепи полупроводникового детектора возникает электрический импульс, который регистрируется зарядочувствительным предварительным усилителем и преобразуется в перепад напряжения на его выходе, а затем передается в блок обработки сигнала.Quanta of pulsed X-ray radiation, getting into the material of the sensitive element, interact with it, which leads to the birth, depending on the energy of the incident quantum: a photoelectron, a Compton electron or an electron-positron pair. Charged particles penetrate into the sensitive area and generate electron-hole pairs in it. The charge carriers (electrons and holes) under the action of the electric field applied to the semiconductor element "dissolve" and move to the electrodes. As a result, an electric pulse appears in the external circuit of the semiconductor detector, which is registered by the charge-sensitive preamplifier and converted into a voltage drop at its output, and then transmitted to the signal processing unit.

Изготовленное устройство характеризовалось следующими электрическими характеристиками:The manufactured device was characterized by the following electrical characteristics:

Рабочий режим - обратное смещение при полном обеднении.Operating mode - reverse bias at full depletion.

Рабочее напряжение 45 В;Working voltage 45 V;

Темновой ток при рабочем напряжении, не более 0,5 мкА.Dark current at operating voltage is no more than 0.5 μA.

Длительность импульсной характеристики на уровне 0,5 амплитуды, характеризующая быстродействие, было достигнуто около 1,2 нс.The duration of the pulse response at the level of 0.5 amplitude, characterizing the response speed, was achieved at about 1.2 ns.

Все измерения проводились при температуре 20±2°C.All measurements were carried out at a temperature of 20±2°C.

Таким образом, полезная модель обеспечивает получение детектора, который может применяться в различных устройствах, предназначенных для регистрации и/или измерения ионизирующего излучения.Thus, the utility model provides for obtaining a detector that can be used in various devices intended for recording and/or measuring ionizing radiation.

Claims (1)

Быстродействующий детектор на основе широкозонного полупроводникового материала для регистрации импульсного рентгеновского излучения, представляющий собой p-i-n-детектор, содержащий чувствительный элемент со структурой p+/i/n+, помещенный в корпус СППД11-хх, отличающийся тем, что чувствительный элемент выполнен в виде p-i-n-структуры, выполненной методом газофазной эпитаксии из металлорганических соединений при пониженном давлении и температурах, содержащей подложку GaAs, состоящую из: слоя i-GaAs; слоя n+-GaAs; сплошного контакта Pt/TiN/Ag; слоя p+-GaAs; слоя металлизации Ti/Pd/Au; слоя полиамида.A high-speed detector based on a wide-bandgap semiconductor material for recording pulsed X-ray radiation, which is a p-i-n detector containing a sensitive element with a p+/i/n+ structure, placed in an SPPD11-xx housing, characterized in that the sensitive element is made in the form of a p-i-n structure produced by the method of gas-phase epitaxy from organometallic compounds at reduced pressure and temperatures, containing a GaAs substrate consisting of: an i-GaAs layer; an n+-GaAs layer; a continuous Pt/TiN/Ag contact; a p+-GaAs layer; a Ti/Pd/Au metallization layer; a polyamide layer.
RU2024123382U 2024-08-12 HIGH-SPEED DETECTOR BASED ON WIDE-BAND SEMICONDUCTOR MATERIAL FOR REGISTRATION OF PULSED X-RAY RADIATION RU236141U1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU236141U1 true RU236141U1 (en) 2025-07-28

Family

ID=

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2013088352A2 (en) * 2011-12-13 2013-06-20 Koninklijke Philips Electronics N.V. Radiation detector
WO2014027260A3 (en) * 2012-08-13 2014-04-10 Koninklijke Philips N.V. Photon counting x-ray detector
RU2575941C2 (en) * 2010-12-07 2016-02-27 Конинклейке Филипс Электроникс Н.В. X-ray detector of direct conversion
RU220064U1 (en) * 2023-03-13 2023-08-23 Анастасия Дмитриевна Лозинская SEMICONDUCTOR X-RAY DETECTOR WITH HIGH ENERGY RESOLUTION
US11744090B2 (en) * 2019-07-23 2023-08-29 Korea University Research And Business Foundation Self-powered perovskite X-ray detector

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2575941C2 (en) * 2010-12-07 2016-02-27 Конинклейке Филипс Электроникс Н.В. X-ray detector of direct conversion
WO2013088352A2 (en) * 2011-12-13 2013-06-20 Koninklijke Philips Electronics N.V. Radiation detector
WO2014027260A3 (en) * 2012-08-13 2014-04-10 Koninklijke Philips N.V. Photon counting x-ray detector
US11744090B2 (en) * 2019-07-23 2023-08-29 Korea University Research And Business Foundation Self-powered perovskite X-ray detector
RU220064U1 (en) * 2023-03-13 2023-08-23 Анастасия Дмитриевна Лозинская SEMICONDUCTOR X-RAY DETECTOR WITH HIGH ENERGY RESOLUTION

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5391882A (en) Semiconductor gamma ray detector including compositionally graded, leakage current blocking potential barrier layers and method of fabricating the detector
Eberhardt et al. Evaluation of epitaxial n-GaAs for nuclear radiation detection
Lacaita et al. On the bremsstrahlung origin of hot-carrier-induced photons in silicon devices
Bolotnikov et al. Factors limiting the performance of CdZnTe detectors
EP0777277A1 (en) Ionizing radiation detector
US11837624B2 (en) Radiation detector and a method of making it
Rouse et al. Interfacial chemistry and the performance of bromine-etched CdZnTe radiation detector devices
JP3431228B2 (en) Charged particle detection device and charged particle irradiation device
US3598997A (en) Schottky barrier atomic particle and x-ray detector
WO2008104761A2 (en) Photon detector
RU236141U1 (en) HIGH-SPEED DETECTOR BASED ON WIDE-BAND SEMICONDUCTOR MATERIAL FOR REGISTRATION OF PULSED X-RAY RADIATION
KR101699380B1 (en) Semiconductor radiation detecting device
JP2010067738A (en) Charged particle detector using gallium nitride-based semiconductor material
Kurucova et al. Experimental analysis of the electric field distribution in semi-insulating GaAs detectors via alpha particles
Nishizawa et al. Effects of Heating on Electrical and Spectral Properties of In/CdTe/Au X-and γ-ray Detectors with a Schottky Barrier or Laser-induced pn Junction.
US11114578B2 (en) Image sensors with silver-nanoparticle electrodes
Kim et al. Novel indium phosphide charged particle detector characterization with a 120 GeV proton beam
Hamilton et al. HgCdTe/CdZnTe PIN high-energy photon detectors
US20040182993A1 (en) Solid-state radiation detector using a single crystal of compound semiconductor inSb
RU220064U1 (en) SEMICONDUCTOR X-RAY DETECTOR WITH HIGH ENERGY RESOLUTION
Murti et al. Recombination properties of photogenerated minority carriers in polycrystalline silicon
Gnatyuk et al. Fabrication of high resolution X/γ-ray detectors using laser-induced doping of CdTe in liquid
Yang et al. Alpha particle detector with planar double Schottky contacts directly fabricated on semi-insulating GaN: Fe template
CN103267939B (en) A kind of method detecting photovoltaic type cadmium-telluride-mercury infrared detector electrode quality
Lauter et al. Epitaxial gallium arsenide for nuclear radiation detector applications