Разработка СБИС квантового пиксельного координатного детектора радиационных частиц на основе функционально-интегрированных биполярных структур

• Автор: Леготин, Сергей Александрович
• Шифр специальности: 05.27.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 153 с. : ил.

ВВЕДЕНИЕ.
ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР. КЛАССИФИКАЦИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДЕТЕКТОРОВ РАДИАЦИОННЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ.

1.1. Квантовые координатные детекторы.

1.1.1. Монолитные координатные детекторы

1.1.1.1. Стриповый полосковый детектор

1.1.1.2. Полупроводниковая дрейфовая камера

1.1.2. Квантовые пиксельные координатные детекторы.

1.1.2.1. Детекторы с внутренним усилением

1.2. Аналоговые детекторы

1.2.1. Структуры на аморфном кремнии.

1.2.2. Аналоговые детекторы на приборах с зарядовой связью.

1.2.3. Аналоговый детектор на основе КМОПФД 1.
1.2.4. Аналоговый детектор на основе БиМОПФД.
1.3. Квантовоцифровые пиксельные детекторы
1.3.1. Квантовоцифровые гибридные ппксельные детекторы
1.3.1.1. Гибридный детектор с чередующимися пикселями
1.3.1.2. Трехмерные квантовоцифровые пиксельные детекторы
1.3.2. Монолитные квантовоцифровые пиксельные детекторы.
1.3.2.1. Монолитные пиксели на обедненном кремнии
1.3.2.2. Монолитный КМОП пиксельный детестор
1.3.2.3. Монолитный квантовоцифровой КНИ детектор.
1.3.2.4. Монолитный квантовоцифровой пиксельный детектор
на аморфном кремнии
1.3.2.5. Монолитный квантовоцифровой пиксельный детектор
на ОЕРБЕТструктуре
Выводы по главе
Глава 2. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ И ФИЗИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ИОНИЗАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ В ПИКСЕЛЯХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДЕТЕКТОРОВ И ИХ КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ.
2.1. Физические модели взаимодействия радиационных частиц
с кремнием
2.1.1. Взаимодействие ачастиц с кремнием.
2.1.2. Взаимодействие электронов и позитронов с кремнием
2.1.3. Взаимодействие рентгеновского и уизлучений с кремнием.
2.2. Физическая модель ионизационных процессов в пикселях полупроводниковых детекторов
2.3. Физические особенности работы функциональноинтегрированных пикселей для детекторов квантового, аналогового и цифрового типов.
2.4. Компьютерное моделирование динамики работы БиМОП пиксели
Выводы по главе 2.
Глава 3. КОНСТРУКЦИИ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МАРШРУТЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СБИС КПКД
3.1. Компьютерное моделирование диффузионных профилей пиксельных струкгур.
3.2. Технологический маршрут изготовления матриц квантовых координатных детекторов.
3.3. Технологические маршруты изготовления кристаллов чипов детектора СБИС
3.4. Описание топологии СБИС КПКД.
3.5. Конструкции детекторов для медицинского п промышленного
назначения.
Выводы по главе
Глава 4. АРХИТЕКТУРА И СХЕМОТЕХНИКА ПИКСЕЛЬНЫХ ДЕТЕКТОРОВ РАДИАЦИОННЫХ ЧАСТИЦ И ИЗЛУЧЕНИЙ.Т
4.1. Архитектура и схемотехника квантового координатного детектора
4.2. Архитектура и схемотехника аналогового детектора
4.3. Архитектура и схемотехника квантовоцифрового детектора.
4.4. Электрическая принципиальная схема квантового пиксельного координатного детектора. Описание и принцип работы
4.5. Быстродействие, временное разрешение полупроводниковых детекторов
4.5.1. Быстродействие, временное разрешение квантового координатного детектора.
4.5.2. Быстродействие, временное разрешение аналогового детектора.
4.5.3. Быстродействие, временное разрешение квантовоцифрового детектора.
Выводы по главе 4.
Глава 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ.
5.1. Методики измерения основных характеристик детекторов.
5.1.1. Методика измерений статических характеристик.
5.1.2. Напряжение обеднения и токи утечки при рабочем напряжении.
5.1.3. Время сбора ионизационного заряда и быстродействие.
5.2. Результаты измерений статических характеристик.
5.2.1. Коэффициент внутреннего усиления.
5.2.2. Оценка влияния постоянного тока утечки коллектора на усиление сигналов в биполярных пикселях детектора.
5.3. Экспериментальные результаты по детектированию радиационных частиц
5.3.1. Детектирование ачастиц
5.3.2. Детектирование частиц
5.3.3. Детектирование участиц
5.4. Исследование радиационной стойкости КПКД к потоку электронов.
5.5. Двухкоординатная матрица.
Выводы по главе 5.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА


Основная цель дрейфовой камеры резко уменьшить число выходных контактов по сравнению с полосковым детектором и измерять пространственное положение возникшей в детекторе ионизации по времени ее дрейфа до собирающего электрода. Принципиальная схема полупроводниковой дрейфовой камеры показана на рис. Рис. Принцип действия дрейфовой камеры проиллюстрирован на рис. На одной стороне пластины из высокоомного дкремния создана типичная для полупроводниковой дрейфовой камеры структура из р полосок, окружающих анод 9, . На другой стороне пластины расположен общий Гэлекфод, на который можно не подавать напряжение, упростив тем самым ее конструкцию. Напряжение смещения подается между п анодом и крайней из полосок. На оставшихся полосках напряжение устанавливается само собой, но для того чтобы сделать поле в детекторе более стабильным, стоит подключать, хотя бы частично, и остальные полоски через высокоомный резистивный делитель . По мере роста напряжения смещения происходит обеднение сначала нижней части детектора при напряжении полного обеднения ит рис. ИТ рис. В результате в объеме структуры образуется дрейфовый канал для электронов, идущий от верхнего плавающего электрода к аноду, показанный на рис. С7. Радиационные частицы, падающие на детектор со стороны верхнего электрода, поглощаются в первых нескольких микронах поверхностного слоя. Родившиеся дырки уходят на край верхнего электрода и затем скатываются к крайней полоске, а электроны стекают в дрейфовый канал и по нему собираются на анод. Время собирания заряда почти квадратично зависит от расстояния до анода, так как поле Е убывает примерно пропорционально г, а скорость дрейфа о Е. Внешний электрод располагается на расстоянии 0,8 мм от анода. Г ф т т 7лБ
ил 2ит
Рис. Большое время собирания сигнала не по сравнению с обычными рп диодами, для которых оно составляет не, является основным недостатком дрейфовой камеры, но для таких широко распространенных сцинтилляторов какЫаРи Сб время дрейфа в 0 не является вполне приемлемым. Большим преимуществом дрейфовой камеры является сверхмалая емкость анода. Фсм2. В то же время была предложена новая структура дрейфовой камеры , так называемый спиральная камера. Ее основное отличие от описанного выше состоит в том, что р концентрические кольца заменены непрерывной спиралью, на концы которой подается напряжение. Дрейфовое поле создастся за счет равномерного падения напряжения на омическом сопротивлении р спирали. Чувствительная область имеет форму шестиугольника с площадью 1,5 см2. Практически точечный анод расположен в центре спирали. Благодаря такой геометрии, при полном обеднении удалось добиться емкости анода 0,1 пФ. Другим важным достоинством предложенной структуры является вспомогательный анод, расположенный вблизи основного анода на самом выходе из образованного электродом спиралевидного канала. Главная задача вспомогательного анода собирать поверхностный темповой ток, величина которого сильно зависит от технологии изготовления и поэтому трудно предсказуема и часто бывает весьма большой. На основной анод при этом собирается только объемный темновой ток, стабильности которого при изготовлении детекторов добиться гораздо проще. На образце был получен темновой ток основного анода менее 1 нА , для камеры с такой площадьюэто на уровне лучших мировых значений. К недостаткам описанной структуры можно отнести очень большое время дрейфа сигнала с края детектора и высокие требования к однородности сопротивления спирали. Кроме того, ток, текущий по спирали, приводит к дополнительному нагреву структуры, что в свою очередь повышает объемный темновой ток. Также к недостаткам дрейфовых камер следует отнести зависимость координаты от изменений дрейфового поля в объеме детектора вследствие неоднородности материала, зависимости подвижности электронов от температуры и сноса дрейфующих электронов в наведенном внешнем магнитном поле. Резкое уменьшение емкости детектора с большой чувствительной площадью остается несомненным преимуществом дрейфовой камеры для задач спектрометрии.