Влияния ультразвуковых волн на характеристики детектора излучения

При наличии в объеме полупроводника примесей или дефектов структуры кристаллов в запрещенной зоне возникают локализованные состояния. Такие состояния могут быть центрами захвата (ловушками) для носителей заряда. Иногда, вследствие различных причин, в объеме полупроводника возникают скопления точечных дефектов, представляющие собой крупномасштабные ловушки (КМЛ) с довольно высокими значениями сечений захвата до 10

• ¹² см². Такая неупорядоченность распределения концентрации точечных дефектов в объеме кристалла приводит к возникновению случайных полей, влияющих на процессы переноса заряда в полупроводниковых приборах. Исследование таких скоплений дефектов представляется интересным и важным с точки зрения их природы, механизма образования и степени влияния на характеристики полупроводниковых приборов. Одним из таких приборов

2.    Методы и исследования

является полупроводниковый диффузионных детекторов (ППД) излучения на основе кремния, исследование характеристик которого позволяет получить информацию о природе и структуре локальных неоднородностей.

Целью данного исследования являлось, используя метод анализа полевых зависимостей потерь заряда λ (1/ Ε ), изучение влияния электрических и ультразвуковых полей на электрофизические и спектрометрические характеристики диффузионных приемников излучения.

Спектрометрический метод определения примесного состава рассматривается в ряде работ [1,2]. Форма спектральной линии зависит от множества процессов, происходящих в объеме детектора, и несёт информацию и о свойствах исходного материала.

Рисунок 1 . Формы зарядовых импульсов Si-n-p-детекторов: 1-быстрая компонента зарядового импульса, обусловленная отсутствием захвата; 2-медленная компонента, обусловленная процессами выброса.

Поэтому анализ формы амплитудного спектра позволяет определить характер потерь неравновесных носителей заряда (ННЗ) и параметры центров захвата, зависящих от их концентрации N t , сечения захвата σ и тепловой скорости V T . Величина постоянной захвата τ 3 определяется следующим выражением:

τ 3 = 1/N t ⋅σ⋅ V Т

Постоянная захвата в свою очередь определяет уменьшение амплитуды зарядового сигнала детектора, так как идут потери неравновесных носителей заряда λ = t др /n τ 3 вследствие захвата на ловушки (t др -время дрейфа, n-численный коэффициент).

В детекторе одновременно происходят процессы захвата и выброса носителей и в этом случае, форма зарядового импульса имеет вид, представленный на рисунке 1. Быстрая компонента зарядового сигнала определяется дрейфом носителей, не испытавших захват, появление медленной компоненты связано с процессом захват-выброс, что и определяет наличие дефицита амплитуды сигнала λ0. Величина дефицита амплитуды сигнала, усиленного и сформированного дифференцирующей и интегрирующей цепочками усилителя (время формирования 0 = Одиф = Оинт) сигнала Au, поступающего на вход амплитудного анализатора, не всегда пропорциональна Хо.

Для определения примесного состава материала детектора используется зависимость результирующей амплитуды сигнала от постоянной времени его формирования 0 = RC. При этом учитывается, что время дрейфа носителей много меньше постоянной времени формирования. Проведенный расчет показывает, что нормированный на свое максимальное значение дефицит Х ( 0 ) зависит от отношения Т в / 0 в соответствие с рисунком 2. Полученная графическая зависимость позволяет по экспериментальным значениям Х ( 0 )/ Х о и 0 определять постоянные выброса с центров захвата. Далее, из анализа формы спектральной линии можно решить вопрос о характере потерь носителей заряда, то есть определить , происходит захват ННЗ на одиночные центры, или потери связаны с наличием крупномасштабных ловушек. Для этого производится анализ зависимости потерь заряда от величины обратной дрейфовой скорости носителей, либо от величины обратной напряженности электрического поля.

Рисунок 2 . Теоретическая зависимость потерь заряда Х ( 0 ) от постоянной выброса т в и времени формирования сигнала 0 .

Для изготовления кремниевых диффузионных детекторов использовались слитки монокристаллического кремния р-типа с удельным сопротивлением р=(10^14)-103 Осм и временем жизни неосновных носителей заряда т=450^650 мкс, а также и более низкоомные слитки р-Si с р<(2^5)-103 Осм и т=800^100 мкс. Концентрация кислорода No2 составляла не более 1016см-3 и плотность дислокаций Nd~104 см-2. Слитки, имевшие форму цилиндра, разрезались на пластины толщиной до 0,5 мм. Пластины имели площадь от 0,25 см2 до 2,0 см2. Si-пластины шлифовались с обеих сторон абразивным порошком М15. После соответствующей химической обработки на одну из сторон Si-пластин напылялся алюминий (Al) толщиной l~С,45 мкм ^ 0,5 мкм, при данной технологической процедуре края Si-пластины были защищены маской. После этого на другую сторону Si-пластины наносился раствор пятиокиси фосфора Р2О5 и проводилась сушка данного покрытия. Следующей технологической операцией являлся процесс диффузии фосфора в Si-пластины. Образцы, расположенные в кварцевых кассетах, помещались в диффузионную печь. Диффузия фосфора проводилась при температуре Т = 1073 К в потоке инертного газа в течение времени t = 60 минут. Затем температура медленно понижалась до комнатной. Алюминий, осажденный на Si-пластину, сплавляется с ней при Т*820К и затем, диффундируя из расплава в объем Si-пластины, образует сильнолегированный р+-слой кремния. После охлаждения Si-пластинка проходит ряд химико-технологических операций по очистке и удалению фосфорносиликатного стекла на n+-слое, полученного диффузией фосфора. На входное окно Si-n-p-структуры напылялось золото плотностью около 30^50 мкграмм /см2. Электрические контакты к n- и p-слоям изготавливались в виде прижимных или присоединением тонких металлических проволочек с помощью проводящих серебряных паст.

3.    Результаты эксперимента и их обсуждение

Полученные экспериментальные зависимости Х (1/ Е ) свидетельствуют о неоднородности потенциального рельефа (см. рисунок 3, кривая 1) чувствительной области детектора.

Во-первых, наблюдается отчетливое отклонение от линейности, проявляющееся в виде ступеней в определенных интервалах напряженностей электрических полей вплоть до Е * 1,5 кВ/см. Разрешаются три ступени: первая ступень - интервал Е 1 * (0,384 ^ 0,500) кВ/см; вторая ступень- интервал Е 2 * (0,500 ^ 0,714) кВ/см и третья ступень - интервал Е з * (0,714 ^ 1,470) кВ/см.

Во-вторых, при наблюдаемых значениях напряженности электрического поля Е 4 > 1,470 кВ/см происходит резкое уменьшение потерь заряда X . Данный участок зависимости Х (1/ Е ) имеет линейный вид, что совпадает с теоретическими выводами об увеличении времени жизни с ростом напряженности электрических полей, при которых дрейфовая скорость выходит на насыщение.

Важным моментом является изменение полевых зависимостей потерь заряда Х (1/ Е ) после облучения ПДД-Si-n-p-детектора ультразвуковыми волнами с частотой f =15МГц и интенсивностью 1*=0,4Вт/см² в течение времени t = 45 минут.

На рисунке 3 (кривая 2) можно отчетливо наблюдать сглаживание «ступеней» зависимости Х (1/ Е ), характеризующих отдельные микрообъемы чувствительной области детектора, где ранее происходил сильный захват неравновесных носителей заряда (рисунок 3, кривая 1).

Рисунок 3. Полевые зависимости потерь заряд Si-n-p-детектора до (кривая 1) и после облучения ультразвуковыми волнами интенсивностью I=0.4 Вт/см², f=15 МГц в течение t = 45 мин (кривая 2). Т= 290К.

Время нарастания зарядовых импульсов (равное времени дрейфа t др. носителей через чувствительную область до контакта) уменьшилось довольно существенно с величины t др. = d 1 /V др. = 0,0271 ⋅ 10^-4cм/5 ⋅ 10⁶cм/с = 542нс до величины t¹ др = d/V др = 0,0257 ⋅ 10^-4см/5 ⋅ 10⁶ cм/с = 515,2нс. Значение V др равное 5 ⋅ 10⁶cм/c выбрано для областей электрических полей Ε < Ε s , то есть, где не наблюдается разогрев неравновесных носителей заряда в сильных электрических полях [3,4]. В представленном ПДД-Si-n-p-детекторе потери заряда в основном связаны с локальными скоплениями примесных атомов, о чем свидетельствует наличие «ступеней» на зависимости λ (1/ Ε ), рисунок 3. Эти потери в общем случае определяются размером и концентрацией таких скоплений и не зависят от величины дрейфовой скорости носителей V др.

Таким образом, наблюдаемое уменьшение потерь заряда (сглаживание «ступеней»), уменьшение времени дрейфа и улучшение энергетического разрешения под воздействием ультразвукового поля позволяет сделать следующие выводы.

4.    Заключение

В электрических полях Е > 1470 В/см происходит эффективное уменьшение процессов захвата, что проявляется в виде спрямлении полевых зависимостей потерь заряда и в сужении спектральных линий. Ультразвуковое поле интенсивностью I* = 0,4 Вт/см2 и частотой f = 15 MГц, воздействуя на образцы в течение времени t ≤ 45 минут, приводит к росту амплитуды сигнала, сужению спектральных линий, улучшению энергетического разрешения до 12% и падению величины электрической емкости приемников примерно до 5 %. Подобное необратимое изменение характеристик Si -n-p-приемников происходит из-за распада скоплений примесных атомов в ультразвуковом поле. В результате происходит сглаживание потенциального рельефа в объеме чувствительной области, что способствует более эффективному и быстрому сбору неравновесных носителей заряда на электрические контакты Si-n-p-приемников излучения. При этом, как показывают оценки, время сбора носителей заряда уменьшается примерно до 4-5% также. Флуктуации рельефа примеси в объеме Si-p-типа сглаживаются после прохождения через него ультразвуковых волн малой мощности в течение длительного времени, о чем свидетельствует значительное уменьшение эффективного размера локальных скоплений дефектов.