Авторефераты диссертаций >> Особенности физических процессов формирования кремний-литиевого детектора ядерного излучения с большой чувствительной областью
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
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:
- 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.
- 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.
- 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).
- 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.
