авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 | 4 |

Особенности физических процессов формирования кремний-литиевого детектора ядерного излучения с большой чувствительной областью

-- [ Страница 1 ] --

АКАДЕМИЯ НАУК РЕСПУБЛИКИ УЗБЕКСТАН

НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ОБЪЕДИНЕНИЕ

«ФИЗИКА-СОЛНЦЕ» им. С.А.АЗИМОВА

ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ им. С.В.СТАРОДУБЦЕВА

_______________________________________________________________

На правах рукописи

УДК 621.1.074

РАДЖАПОВ САЛИ АШИРОВИЧ

ОСОБЕННОСТИ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ФОРМИРОВАНИЯ

КРЕМНИЙ-ЛИТИЕВОГО ДЕТЕКТОРА ЯДЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

С БОЛЬШОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОЙ ОБЛАСТЬЮ

01.04.10 – Физика полупроводников

А В Т О Р Е Ф Е Р А Т

диссертации на соискание ученой степени

доктора физико-математических наук

Ташкент-2010

Работа выполнена в Физико-техническом институте НПО «Физика-Солнце» им.академика С.А.Азимова Академии Наук Республики Узбекистан

Научный консультант: доктор физико-математических наук, академик АН РУз, проф. Муминов Рамизулла Абдуллаевич
Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, академик АН РУз, проф. Тураев Назар Юлдашевич доктор физико-математических наук, профессор Мирсагатов Шавкат Акрамович доктор физико-математических наук, профессор Илиев Холмурод Маджидович
Ведущая организация: Институт Ядерной физики АН РУз

Защита состоится «____» _______________2010 г. «____» часов на заседании объединенного Специализированного совета Д 015.08.01 при Физико-техническом институте НПО «Физика-Солнце» им. академика С.А. Азимова АН РУз по адресу: 100084, г. Ташкент, Бодомзор йули, 2Б.

Тел: (8-10-99-871)-233-12-71

Факс: (8-10-99-871) -235-42-91

Е- mail: karimov@uzsci.net

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Физико-технического института НПО «Физика-Солнце» им. академика С.А.Азимова АН РУз.

Автореферат разослан «_____»__________________2010г.

Отзыв, на автореферат заверенный печатью в двух экземплярах просим отправить по вышеуказанному адресу на имя ученого секретаря Специализированного совета

Ученый секретарь

Специализированного совета,

д. ф.-м.н., профессор Каримов А.В.

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Регистрация, спектрометрия и идентификация ионизирующих слабоинтенсивных, высокоэнергичных излучений являются основными этапами в решение многих задачей в различных областей науки и техники, а также в ряде отраслей экономики, в частности геологии, металлургии, медицине, охране окружающей среды и др.

Полупроводниковые детекторы (ППД) ядерных излучений обладают рядом принципиальных преимуществ перед другими видами счетчиков и спектрометров ионизирующих излучений (газоразрядные камеры, сцинтилляционные счетчики на основе ФЭУ, магнитные спектрометры и др.), такими, как малые габариты и вес, низковольтное питание, механическая прочность, большая тормозная способность поглощающей среды, нечувствительность к магнитному полю, линейность сигнала в широком диапазоне энергий и др. В настоящее время они являются фактически единственно приемлемым прибором для исследования спектрального состава, интенсивности, пространственного и углового распределения ионизирующих частиц.



Быстрое развитие полупроводникового детекторостроения привело к созданию большого разнобразия счетчиков и спектрометров ядерных излучений, предназначенных для решения конкретных задач в различных отраслях фундаментальных и прикладных исследований современной физики.

Степень изученности проблемы. Среди широкого класса детекторов ядерного излучения на полупроводниковых кристаллах особое место занимают кремний-литиевые детекторы. В настоящее время в мировой практике детекторы относительно малых размеров хорошо развиты. Максимальные площади их чувствительной области составляют S =(2 – 60) см2 и толщины Wi < 2 мм [1, 2, 3 ]. Однако существует ряд задач, для решения которых необходимо создание высокоэффективного спектрометрических детекторов с большим объемом чувствительной области. В то же время их создание имеют свои не только физические, но и технические, технологические, конструкторские особенности и трудности. Они связаны с проявлением эффектов, обусловленных с взаимосвязью параметров исходного кристалла больших диаметров с изготовлением на их основе эффективных детекторов ядерного излучения. В частности, это связано с обеспечением высококачественных детекторных структур больших размеров чувствительной области на базе p-n- или p-i-n структур на монокристаллах кремния большого диаметра. Отсюда следует необходимость глубокого понимания физических процессов, обусловленных эффектами больших размеров полупроводникового кристалла. Требуется умение целенаправленно управлять сложными технологическими процессами, в частности, диффузией, дрейфом, химическими и механическими обработками, с целью обеспечения резких плоскопараллельных по всей площади кристалла p-n, p-i, i-n переходов, получения тонких высокоэффективных токосъемных контактов и т.д. В конечном итоге детекторные структуры типа p-n или p-i-n должны иметь оптимальные токовые, емкостные, шумовые характеристики обеспечивающие эффективные радиометрические характеристики (энергетическое разрешение, качественные амплитудные сигналы, высокая чувствительность, тонкие входные окна-“мертвые слои” и т.д.). При формировании детекторных структур на кристаллах большого диаметра и толщины с указанными выше требованиями возникают особенности физических процессов диффузии, дрейфа, контактных явлений и др., которых необходимо изучить и найти в конечном итоге оптимальные физические, технические, конструкторские и технологические решения для разработки Si(Li) детекторов.

В связи с выше изложенным, актуальной задачей в полупроводниковой спектрометрии ядерных излучений, а также в регистрации слабоинтенсивных, высокоэнергетичных излучений на основе полупроводниковых детекторов, является выявление физических особенности взаимосвязи свойств исходного монокристаллического кремния с эксплуатационными характеристиками ППД и на этой основе разработка технологии получения Si(Li) детекторов ядерных излучений больших объемов.

Связь диссертационной работы с тематическими планами НИР. Работа выполнена при финансовой поддержке: ГНТП-5 "Разработка низкофоновой установки на основе кремний-литиевого детектора с большой площадью (до 100 см2) для регистрации слабоинтенсивного ионизирующего излучения" а также проекта Фонда поддержки фундаментальных исследования "Особенности физических процессов формирования полупроводниковых детекторных структур ядерного излучения с большим диаметром (до 110 мм) и толстой (до 10 мм) чувствительной областью".

Целью исследования является изучение физических и технологических особенностей разработки и изготовления кремний-литиевых детекторов ядерного излучения на монокристаллическом кремнии с диаметром слитка до 100110 мм, толщиной d 5 мм.

Задачи исследования:

- Изучить особенности физических свойств кремниевых пластин

больших диаметров и толщин ( > 30мм, d 5 мм);

- исследовать физические и технологические особенности процесса

диффузии и дрейфа ионов лития в кремниевые пластины больших

диаметров и толщин;

- изучить технологические особенности получения кремний-литиевых

детекторных p-i-n структур с чувствительной поверхностью до S = 100 см2,

и толщиной Wi 5 мм.

- разработать и создать высокоэффективные спектрометрические устройства

для регистрации длиннопробежных заряженных частиц;

- исследовать влияние внешних воздействий на характеристики

полупроводниковых детекторов ядерного излучения большого объема

( > 30мм, d 5 мм);

Объект и предмет исследования. В качества объекта исследования были выбраны монокристаллический кремний больших диаметров и толщин ( > 30мм, d 3 мм) и полупроводниковые Si(Li) p-n, и p-i-n структуры с большим объемом чувствительной области. Предметом исследований является физические особенности процесса собирания неравновесных носителей заряда и формирования амплитудных спектров ядерного излучения в Si(Li) p-i-n структурах больших объемов и поверхностей их чувствительной области.

Гипотеза исследования. Как известно, в полупроводниковых структурах с протяженной областью объемного заряда ( фотопреобразователей, полупроводниковых детекторах ионизирующей излучения, ИК фотоприемниках), их эксплуатационные характеристики непосредственно связаны с закономерностями движения частиц в этой области. Проблема анализа движения частицы в этих случаях имеет фундаментальное значение в процессах преобразования потока носителей заряда во многих физических устройствах и может рассматриваться как задача о движении частицы в неоднородном стационарном и не стационарном потенциальном поле (электрическое). Из-за фундаментальной ценности понимания этих физических процессов, и на этой основе обеспечение высокой эффективности приборов необходимы теоретические и экспериментальные работы в этом направлении.

Данный вопрос рассматривается в настоящей диссертации для полупроводниковых детекторов ионизирующих излучений. Обычно при рассмотрении работы детектора учитываются закономерности процессов взаимодействия заряженного частицы с кристаллической решеткой детектора, а рассеяние (в толстой детекторах) учитывается как ее взаимодействие в основном на точечных дефектах (заряженных или нейтральных) или фононах.

Всесторонней анализ моделей детектора как с физической точки зрение, также технологических особенностей формированию высокоэффективных детекторных структур является нетривиальной задачей, особенно для детекторов больших объемов и поверхностей их чувствительной области.

Методы исследования. Одно и четырехзодовые измерения, электрофизические (ВАХ, ВФХ, ВШХ ) и радиометрические измерения, фазо-частотные измерения по емкостной методике.

Основные положения, выносимые на защиту:

  1. Электрофизические, радиометрические и временные характеристики

Si (Li) детекторов больших объемов определяются в конечном итоге,

необходимостью всестороннего учета свойств исходного кристалла с

физическими особенностями процесса диффузии лития в кислодо-

содержащем кремнии и много ступенчатостью дрейфа ионов лития в

низкоомном кремнии большого диаметра и толщины.

  1. Предложена методика и физический алгоритм подбора режима «выравнивающего» дрейфа ионов лития на готовых Si (Li) p-i-n структур для получения однородно компенсированных рабочих областей (Wi 5 мм) на основе данных ВЕХ, ВАХ и радиометрических характеристик прибора.
  2. Установлен ряд физико-технологических процессов (термические,

УЗВ, импульсным электрическим и световым полями) позволяющих

создавать детекторы с большим объемом чувствительной области (S=

20 - 80 см2, Wi 5 мм).

  1. На основе установленных закономерностей взаимосвязи свойств

кристаллов и радиометрических характеристик детекторов на их

основе разработана технология и маршрутная карта изготовления

Si(Li) детекторов с большим объемом чувствительной области из p-Si

Чохральского (КЧ) ( = 10 Ом.см, 50 мкс) и безтигельной зонной

плавки (БЗП) ( = 1 кОм.см, 300 мкс) с диаметром 100 мм и

толщиной W 5 мм

5. Впервые разработан и изготовлен новый тип Si (Li) универсального

детектора с большой чувствительной областью, в котором

формирование амплитудного сигнала может эффективно проходить

как в параллельном, так и перпендикулярном электрическом поле в





рабочей области детектора, обеспечивая регистрацию

длиннопробежных частиц.

6. Разработаны универсальный спектрометры заряженных частиц низких

и высоких энергий; низкофоновая установка и -частиц,

работающих в спектрометрическом режиме; – Е детекторы

(телескоп) в едином монокристалле кремния.

Научная новизна:

- установлены особенности процесса диффузии лития в монокристаллические кремниевые пластины, обеспечивающие резкий профиль распределения его концентрации после определенной задаваемой глубины проникновения;

- выявлены физические механизмы многоступенчатого режима процесса дрейфа ионов лития на кремниевые пластины диаметром до 110мм и толщины до 10мм и установлены физические явления, обеспечивающие однородную компенсацию чувствительной области детектора;

- определены научно-обоснованые методы акустостимулированных и импульсных электрических полевых процессов для оптимизации эксплуатационных характеристик кремний-литиевых детекторов ядерного излучения с большим объемом их чувствительной области;

- показаны физические основы создания универсальных спектрометров для длиннопробежных ионизирующих частиц;

- определены физические основы и оптимальные технологические режимы проведения «выравнивающего» дрейфа на Si(Li) структурах, деградированных за длительное время их эксплуатации или хранения;

- установлена научная основа получения равномерного профиля распределения лития в кислородосодержащем p –Si. Изучены физические особенности подбора индивидуального температурно-временного режима диффузии лития с учетом изменения коэффициента диффузии за счет комплескообразования Li-O;

- показан физический механизм, обеспечивающий эффективность дополнительного низкотемпературного «выравнивающего» дрейфа на готовых Si(Li) p-i-n структурах, основанный на минимизации роли дипольных моментов, образованных в процессе дрейфа и обусловленных вследствие смещения концентрации профиля лития относительно локальных флуктуаций концентрации акцепторной примеси в исходном полупроводнике;

- для получения Si(Li) p-i-n структур с большим объемом чувствительной области, развиты физические принципы проведения дрейфа ионов лития с двух сторон. Это позволяет значительно сократить время получения протяженной компенсированной i-области и улучшить характеристики изготовляемого детектора;

- установлены физические особенности влияния ультразвуковых волн и импульсного электрического поля на оптимизацию свойств исходных полупроводниковых материалов и приборов на их основе;

- изучены динамически вращательные методы химической обработки кремниевых пластин с диаметром > 30 мм, обеспечивающие их плоскопараллельность с точностью ±1 2%;

- разработаны технологические маршруты изготовления Si(Li) детекторов с большими чувствительными объемами;

- на основе изученных и разработанных научно-технических и технологических особенностей изготовлены действующие ППД системы: низкофоновые установки, работающие в спектрометрическом режиме; телескопический детектор в едином монокристаллическом кремнии; универсальный ППД с протяженной чувствительной областью (Wi 10мм);

Научная и практическая значимость результатов исследования.

1. Разработанная акустостимулированная и импульсная электрическая полевая технологии открывают возможности их широкого применения не только для оптимизации эксплуатационных характеристик детекторов ядерного излучения, но и для многих задач полупроводникового приборостроения и микроэлектроники. В целом эти способы позволят целенаправленно изменять свойства кристаллических структур, исходных материалов, а также контактные характеристик и поверхностных свойств различных полупроводниковых приборов.

2. Разработанные и изготовленные уникальные детекторы ядерного излучения на кремниевых пластинах с диаметром до 110 мм не имеют мировых аналогов, и они открывают возможности разработки на их основе новых ядерно-физических экспериментов, а также использование их в различных отраслях науки и техники.

3. Разработанные методы воздействия ультразвуковых волн и импульсных электрических полей на полупроводниковые материалы, и приборы позволяют получать новые фундаментальные знания в области акустостимулированных и импульсных электрических полевых явлений в полупроводниках.

4. Разработанные НФУ, универсальный спектрометр, координатно- чувствительные и – Е детекторы в едином монокристаллическом кремнии больших объемов позволяют решать широкий круг научно-технических задач в области ядерной физики и космических исследований, мониторинга радиоактивной загрязненности окружающей среды.

Реализация результатов исследования. Исследованные и разработанные кремний-литиевые детекторы ядерного излучения больших объемов имеют перспективы в решении фундаментальных и прикладных задач ядерной физики, медицины, геологии, экологии и др.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Международной конференции «Фундаментальные и прикладные вопросы физики» (г.Ташкент, 2003, 2004, 2006); четвертой международной конференции « Ресурсовоспроизводящие, малоотходные и природоохранные технологии освоении недра» (Москва-Навои, 2005); Международной научной методической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы физики полупроводников» (Андижан 2005); 6-ая Международной конференции «Ядерная и радиационная физика» (Алматы РКаз.-2007); конференция «Фотоэлектрические явления в полупроводниках» Ташкент 2004; «Фотоэлектрические и оптические явления в полупроводниковых структурах» (Фергана 2005); «Наука и кадры горно-металлургической промышленности» (Алмалык 2002, 2004); Международной конференции «Неравновесные процессы в полупроводниках и в полупроводниковых структурах», (Ташкент 2007); The 5th Joint International Symposium. NANOSCIENCE: Problems and Prospects. Uzbekistan-Korea, 2006; Uzbekistan, Khorezm Mamun Academy of Sciences (Khiva, 2007).

Опубликованность результатов. Материалы диссертации опубликованы в 39 работах, в том числе в 13 журнальных статьях, 23 трудах конференций, в двух авторских свидетельствах и в одном патенте на изобретение, а также в сборниках тезисов докладов, опубликованных в трудах научных конференций.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения,

шести глав, заключения, списка литературы. Объем работы состоит из 233 страниц, и содержит 66 рисунков, 6 таблиц, список литературы из 163 наименований

2. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении представлена актуальность темы, сформулированы цели и задачи диссертационный работы, научная новизна, практическая ценность, положения, выносимые на защиту.



Pages:   || 2 | 3 | 4 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.