Разработка и изготовление полупроводниковых координатночувствительных детекторов ионизирующего излучения больших размеров на основе кремния

Аннотация

Актуальность и востребованность темы диссертации. В настоящее время в мировой практике в области физики полупроводников уделяется особое внимание одному из перспективных направлений измерению энергии альфа и бета частиц, гамма и рентгеновского излучений, определению процессов взаимодействия протон, нейтрон других частиц служащих для разработки новых типов ядерных детекторов. В этом аспекте одной из важных задач является определение процессов формирования функциональных характеристик и физических процессов протекающих в них для оптимизации функциональных параметров полупроводниковых координатно-чувствительных детекторов. В Республике в перспективном направлении науки, в частности в разработке координатно-чувствительных детекторов. В улучшении их параметров новым подходом, по разработке предназначенных для использования в таможненных службах и ядерных реакторах, получены значительные результаты. В соответствии со Стратегией действий по дальнейшему развитию Республики Узбекистан является важным освоение принципиально новых видов продукции и технологий, обеспечение на этой основе конкурентоспособности отечественных товаров на внешних и внутренних рынках. В этом аспекте обеспечение защиты будущего поколения и национальную безопасность от воздействия радиации путем разработки полупроводниковых детекторов, приборостроения имеет важное значение. На сегодня в мире особое внимание уделяется координатно-чувствительным детектором большого диаметра для медицинской диагнос-тики. В этом направлении проведение целевых научных исследований в приведенных направлениях является важным: определение возможностей расширения функциональных характеристик кординатно-чувствительных детекторов большого диаметра; разработка методов усовершенствования технологических процессов полупроводниковых детекторов ядерного излучения на основе монокристалла кремния; поиск путей улучшения параметров координат но-чувствительных детекторов большого размера на основе кремниевых p-i-n-структур; разработка на основе гетеросистем координатно-чувствительных полупроводниковых детектров и оптимизация их спектрометрических характеристик. Данное диссертационное исследование в определенной степени служит выполнению задач, предусмотренных предусмотренных в Постановлении Президента Республики Узбекистан № ПП-1442 «О приоритетных направлениях развития индустрии Республики Узбекистан на 2011-2015 гг.» от 15 декабря 2015 года и № ПП-2789 «О мерах по дальнейшему совершенствованию деятельности Академии Паук, организаций, управления и финансирования научно-исследовательской деятельности» от 17 февраля 2017 года, а также в других нормативно-правовых документах, принятых в данной сфере. Целью исследования является выявление особенностей технологии изготовления полупроводниковых координатно-чувствительных детекторов ионизирующего излучения на основе монокристалла кремния больших диаметров и их функциональных характеристик. Научная новизна исследования заключается в следующем: разработаны методы механических и химических обработок кристаллов кремния большого диаметра; разработан способ двухсторонней диффузии, обеспечивающий в два раза меньшее время процесса диффузии в кремниевых структурах большого диаметра; разработан технологический маршрут изготовления координатночувствительных 8, 16 и 32 полосных детекторов больших размеров на основе Si(Li) p-i-n-структур; на основе Al-aGe-pSi-Au-гетероперехода созданы не уступающие аналогам на 20% высокой чувсвительностью 8 полосные координатночувствительные детекторы; создан полупроводниковый координатно-чувствительный 8-ми полосный полупроводниковый детектор на основе гетероперехода Al-aGe-pSi-Au с фронтальным омическим контактом и тыльным контактом со скрепленным охлаждающим элементом Пельтье, обеспечивающим уменьшение токов утечки в два раза. Заключение На основе исследования особенностей технологии изготовления полупроводниковых координатно-чувствительных детекторов ионизирующего излучения на основе монокристалла кремния больших диаметров (~100 мм) и их функциональных характеристик сделаны следующие выводы: 1. Разработан технологический маршрут, в котором обеспечена резка пластин большого диаметра, процесс диффузии и дрейфа лития в режиме уменьшения рабочего напряжения со 100 В до 15 В, а также равномерность примесей под воздействием ступенчатого импульсного электрического поля. 2. Разработан метод двухсторонней диффузии в кремниевых структурах для изготовления координатно-чувствительных детекторов больших размеров, позволяющий в два раза уменьшить время диффузии. 3. Изготовлены большого диаметра 8-ми полосные и 16-ти полосные детекторы с возможностями использования для томографических систем с энергетическим спектром по р-частицам электрон внутренней конверсией 207Bi (Е|)~1 МэВ) Rp=38 кэВ и по а-частицам 226Ra (Е„=7,65 МэВ) R, =65 кэВ, что находится на уровне заводских. 4. Разработан полупроводниковый координатно-чувствительный детектор, предназначенный для регистрации заряженных частиц в медицине и т.д. включающий p-i-n-структуру фронтальными омическими контактами из золота в виде восьми, шестнадцати и тридцати двух полос, тыльным сплошным контактом из алюминия, который контактирует с термоохлаждающим элементом Пельтье, позволяющее уменьшить токи утечки в два раза. 5. Выявлены технико-технологические аспекты создания координатночувствительных детекторов на основе гетеропереходных Al-aGe-pSi-Au структур с энергетическим разрешением 45 кэВ, то есть в два раза лучшими, чем в кремний-литиевых детекторах (65 кэВ) и в три раза меньшими токами утечки. 6. Изготовлен макет стенда для испытания координатно-чувствительных детекторов предназначенный для демонстрации визуализации сканирования объекта, «просвечиваемого» источником ионизирующего излучения.