Особенности влияния границы раздела и протяженности области объемного заряда на электрофизические характеристики детекторных структур

АКАДЕМИЯ НАУК РЕСПУБЛИКИ УЗБЕКИСТАН

НПО «ФИЗИКА-СОЛНЦЕ» им. С.А.АЗИМОВА

ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ им. С.В.СТАРОДУБЦЕВА

На правах рукописи

УДК 621.376.234

САЙМБЕТОВ АХМЕТ КУАНЫШБАЕВИЧ

ОСОБЕННОСТИ ВЛИЯНИЯ ГРАНИЦЫ РАЗДЕЛА И ПРОТЯЖЕННОСТИ ОБЛАСТИ ОБЪЕМНОГО ЗАРЯДА НА ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДЕТЕКТОРНЫХ СТРУКТУР

01.04.10 – Физика полупроводников

А в т о р е ф е р а т

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

ТАШКЕНТ –2010

Работа выполнена в Физико-техническом институте им. С.В. Стародубцева НПО “Физика-Солнце” им. С.А. Азимова АН Республики Узбекистан

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, проф. академик Муминов Рамизулла Абдуллаевич

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, проф. Бахадырханов Мухаммадкабир Саидхонович

кандидат физико-математических наук, с.н.с. Дадамухаммедов Суннатулла

Ведущая организация:

Ташкентский университет информационных технологий.

Защита состоится «______» ____________2010 г. в ________ часов на заседании Специализированного совета Д.015.08.01 при Физико-техническом институте НПО «Физика-Солнце» АН РУз по адресу: 100084, г. Ташкент, ул. Бодомзор йули 2б. Тел: (8-10-99871)- 233-12-71. Факс: (8-10-99871)-233-42-91. Е-mail: karimov@uzsci.net

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Физико-технического института НПО «Физика-Солнце» АН РУз

Автореферат разослан «_______» ________________2010 г.

Ученый секретарь Специализированного совета Д.015.08.01 д.ф.-м.н., профессор

Каримов А.В.

1. Общая характеристика диссертации

Актуальность работы. Известно, что в настоящее время полупроводниковые детекторы ядерного излучения широко применяются не только в ядерно-физических научных исследованиях, но находят применение в различных сферах человеческой деятельности, в частности: геологии, медицине, энергетике, археологии, охране окружающей среды, космической аппаратуре, криминалистике и т.д. В то же время регистрация различных типов радиационного (ионизирующего) излучения продолжает оставаться особой задачей современного развития науки и техники, следовательно, их практического применения. Среди них особое место занимают разработки полупроводниковых детекторов (ППД) ядерного излучения с высокими энергетическим и позиционным разрешениями, линейностью сигнала в широком диапазоне энергии для различных типов ионизирующих частиц. Одним из важных технологических и научно-технических этапов получения высокоэффективных ППД структур является правильное понимание физических, технологических, конструкционных решений не только его получения, в частности, процесса формирования на основе полупроводниковых монокристаллов p-n, p-i-n структур, а также Si-Si(Li) гетереструктур, но и важны расширения научного понимания процессов собирания, индуцированных ионизирующими излучениями носители зарядов в чувствительной области детектора и формирования на этой основы амплитудного спектра с высоким энергетическим разрешением. В этом вопросе особое место занимает в качестве основного материала монокристаллический кремний. Следовательно, в нем необходимы развития таких процессов, как диффузия и последующий процесс компенсации примесными атомами большого рабочего объема таких структур. При этом особое значение имеет процесс формирования высокоэффективной границы раздела структуры. С этой точки зрения важны научно-технологические исследования по разработке высокоэффективных Si(Li) структур, как с p-n, p-i-n переходами, так и Si-Si(Li) гетерепреходами. Данный вопрос особенно важен на настоящее время с необходимостью разработки ППД больших размеров, в частности, с чувствительной поверхностью до максимально возможных диаметров исходного монокристаллического кремния, выпускаемой промышленностью. Успешное решение задач по созданию высокоэффективных Si(Li) детекторов ядерного излучения больших площадей и протяженности чувствительной области во многом зависит от правильного понимания свойств исходного кристалла большого диаметра, и их физическая связь с эксплуатационными характеристиками детектора. Это требует более глубокого понимания свойств исходного кристалла и установление их роли на формирования высокоэффективных детекторных структур типа p-n, p-i-n переходов, а также Si-Si(Li) гетеропереходов. Поэтому тема диссертационной работы является актуальной.

Степень изученности проблемы. Известно, что развитие полупроводникового материаловедения открыли широкие возможности разработки полупроводниковых детекторов ядерного излучения различного назначения. Среди детекторов ядерного излучения на полупроводниковых кристаллах особое место занимают кремний-литиевые детекторы. В настоящее время в мировой практике такого типа детекторы развиты только относительно малыми размерами (Диаметр чувствительной поверхности детектора 50 мм, толщина рабочей области W2 мм) [1,2,3]. В то же время имеется острая необходимость разработки ППД больших размеров (50110 мм, W310 мм). Однако их создание имеют не только физические, технические, технологические особенности и трудности, но особенности процессов собирания зарядов, кинетических процессов в больших объемах чувствительной области ППД. В этом вопросе особое место занимает формирования на кристаллах больших диаметров резких плоскопараллельных по всей площади кристалла p-n, p-i-n переходов, а также Si-Si(Li) гетерепереходов.

Связь диссертационной работы с тематическими планами НИР. Работа выполнена в Физико-техническом институте НПО «Физика- Солнце» АН РУз в рамках Государственной Научно-технической Программы АН РУз. Основные результаты были получены в рамках проектов Фонда поддержки фундаментальных исследований АН РУз № 06-06 «Физические особенности разработки полупроводниковых стриповых детекторов ядерного излучения ортогональным полем» (2006-2007) и ГНТП А-5-032 (П01/06) «Разработка низкофоновой установки на основе кремний-литиевого детектора с большой площадью (до 100 см2) для регистрации слабоинтенсивного ионизирующего излучения» (2006-2008).

Целью диссертационной работы является исследование особенностей формирования высокоэффективных детекторных структур больших размеров с оптимальными электрофизическими и радиометрическими свойствами, а также изучение новых физических механизмов влияющих на формирование амплитуды энергетических спектров в них.

Задачи исследования:

• разработка технологии получения высокоэффективной границы раздела детекторных p-n, p-i-n и Si-Si(Li) структур больших размеров;
• исследовать электрофизические и радиометрические характеристики детекторных структур на основе Si(Li) p-i-n и Si-Si(Li).
• исследовать особенности границы раздела и барьерных свойств Si-Si(Li) гетероструктур больших размеров;
• изучить влияния различных типов неоднородности потенциала в чувствительной области ППД на эффективность собирания зарядов в нем;
• изучить особенности новых физических явлений в чувствительной области ППД, обусловленных свойствами исходного монокристаллического кремния;

Объекты и предмет исследования. Объектом исследования являются детекторные Si(Li) p-i-n, Si-Si(Li) структуры. Предметом исследования являются физические механизмы, определяющие формирование амплитуды энергетических спектров в детекторных структурах.

Методы исследования: методы исследования вольтамперных и вольтфарадных характеристик детекторных структур; метод исследования фотонапряжения в неоднородных участках чувствительной области Si(Li) p-i-n структур, а также структурные исследования границы раздела Si-Si(Li).

Гипотеза исследования: в настоящее время набирает темп в приборостроении нанофизика, нанотехнологии, наноструктура, где начинает проявляться новая физика, квантово размерные физические процессы, новые явления, механизмы. В тоже время остается потребность в развитии получения полупроводниковых приборов больших размеров, как например, фотопреобразователи солнечного излучения в электрическую, детекторы ядерного излучения, ограничители и переключатели больших электрических мощностей, импульсов и др. Среди них особое место занимают ППД больших площадей и объемов, так как ядерно-физические методы широко применяются не только в научно-физических исследованиях, но также они используются в энергетике, геологии, медицине, археологии, экологии и т.д. Однако, в разработке ППД больших площадей и объемов проявляются особенности физических эффектов, связанных с их большими размерами, которые влияют на формирование высокоэффективных приборных структур с прогнозируемыми характеристиками. Исследования в этом направлении являются важными в понимании особенностей физических процессов, явлений в приборных структурах больших размеров.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Предложенные дополнительные технологические условия для создания детекторных структур Si(Li) p-i-n, Si-Si(Li) большой площади.
2. Механизмы образования в области объемного заряда Si(Li) p-i-n структур спада фотонапряжения в виде «ямы» вызываемых наличием дефектов, как например, типа фазового включения, примесных преципитатов, наноразмерных примесно-дефектных кластеров и др., которые несомненно существуют в объеме p-i-n структуры.
3. Закономерности движения частицы в протяженной области p-i-n структур в неоднородном потенциальном поле, формируемого этой областью.
4. Детекторы на основе Si-Si(Li) гетероструктуры с прогнозируемыми электрофизическими и радиометрическими характеристиками обеспечиваемыми за счет применения аморфного слоя.

Научная новизна:

1. На основе исследовании релаксационных процессов фотопроводимости в области объемного заряда Si(Li) p-i-n структурах, выявлено, что на отдельных участках этой области на временной зависимости импульса фотонапряжения после соответствующего фотовозбуждения, наблюдается ярко выраженная «яма».
2. На основе проведенных аналитических расчетов траектории движения носителей заряда в i - области Si(Li) p-i-n структур с учетом влияния на этот процесс неоднородности потенциального поля в нем, показано, что при таких условиях электроны и дырки, генерированные в результате ионизации атомов ядерным излучением, перемешаются более длинной траекторией по направлению электрического поля в чувствительной области ППД. В результате собираемый заряд при формировании амплитудного энергетического спектра определяется отношением времени задержки к времени их сбора.
3. Разработаны физико-технологические способы формирования оптимальных свойств электрофизических характеристик и параметров радиометрических свойств ППД на основе Si(Li) p-i-n структур и Si-Si(Li) гетероструктур больших размеров.
4. Показано, что детекторные гетероструктуры на основе Si-Si(Li) являются более эффективными по их быстродействию и тонкого приповерхностного («мертвого») слоя относительно традиционных p-n структур.
5. Определены энергетические спектры изготовленных гетероструктур по -частицам ЭВК 207Bi (Е1 МэВ) R=38 кэВ и по -частицами 226Ra (Е=7,65 МэВ) R=65 кэВ. Сравнительные характеристики показывают, что гетероструктуры полученные по разработанной технологии имеют улучшенные спектрометрические характеристики.
6. Выявлены новые технологические условия механических и химических обработок, основанные на динамических подходах, для формирования плоскопараллельных детекторных Si(Li) p-i-n структур и гетеропереходов Si-Si(Li) с большими площадями чувствительной поверхности.

Научная и практическая значимость результатов исследования. В диссертационной работе рассмотрены новые физические явления и процессы, которые свойственны детекторным структурам Si(Li) p-i-n, Si-Si(Li) больших размеров. Создание таких детекторных структур связано с более подробным и глубоким пониманием электрофизических свойств исходного кремния большого диаметра, и установлением их взаимосвязи требованиями получения на их основе высокоэффективных Si(Li) p-i-n, Si-Si(Li) структур. Эти научные результаты имеют значения для понимания физических процессов для различных полупроводниковых приборов больших размеров, а также практические значения для совершенствования их характеристик.

Реализация результатов. Разработанные детекторные структуры имеют перспективы в решении фундаментальных и прикладных задач ядерной физики и применении ППД в качестве экспрессного ядерно-физического метода для измерения чистоты веществ в различных сферах.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на семинарах лабораторий полупроводникового направления Физико-технического института НПО «Физика-Солнце» АН РУз, а также на следующих республиканских и международных конференциях: «Current Problems in Nuclear Physics and Atomic Energy», (Kyiv, Ukraine, 2008); «Физика твердого тела» и «Наноматериалы для защиты промышленных и подземных конструкций», (Усть-Каменогорск, Казахстан, 2010); XVII Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «ЛОМОНОСОВ 2010», (Москва, Россия, 2010); «Табиий фанларнинг долзарб муаммолари» (Самарканд, Узбекистан, 2008); «Физика фанининг бугунги ривожида истеъдодли ёшларнинг ўрни», (Ташкент, Узбекистан, 2010); «Фундаментальные и прикладные вопросы физики», (Ташкент, Узбекистан, 2010). 

Опубликованность результатов. По материалам диссертации опубликовано 14 научных работ, из них 5 статей и 9 докладов в трудах конференций.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, выводов и списка литературы. Она изложена на 123 страницах машинописного текста, содержит 28 рисунков, 1 таблиц, 91 наименований литературных источников.

2. Основное содержание диссертации

Во введении обоснована актуальность проблемы и темы диссертационной работы, сформулированы цели и задачи, научная новизна и практическая значимость работы, приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приведен обзор литературных данных физических основ и принципа работы полупроводниковых детекторов, а также свойствах исходного кремния.

Во второй главе диссертационной работы описаны особенности технологических способов формирования детекторных структур на основе Si(Li) p-i-n и Si-Si(Li) больших размеров. Механическая и химическая обработка кремниевых пластин больших размеров. Диффузия и дрейф ионов лития кремниевых структур большой площади. Особенности технология получения детекторных гетероструктур Si-Si(Li) больших диаметров.

В целом механическая обработка кремниевых пластин различных больших диаметров и толщин должны были обеспечивается с точностью плоскопараллельности их более 11,5%. Для сохранения и обеспечения оптимальной плоскопараллельности кремниевых пластин при химической обработки требуется обеспечение в этих процессах равномерной скорости травления одновременно всей поверхности их большой площади.

Для диффузионных процессов получения ППД больших размеров (>50 мм и W>2 мм) нами были оптимизированы технологические условия и режимы процесса температурной диффузии. Диффузия лития проводится в вакууме. Напыление лития на разогретые до 300 – 500 0С кремниевые платины проводится в вакуумной камере при давлении 10-5 тор. Дрейф ионов лития проводился нами на специально разработанной и изготовленной дрейфовой установке. В связи с этим режим дрейфа выбирался следующим образом: температура Тдр=7080°С, напряжение смещения 100400 В в зависимости от величины токов утечки на каждом конкретном кристалле.

Для ППД больших размеров особое значение имеет плоскопараллелность p-n перехода по всей площади его чувствительной поверхности, а также глубина p-n барьера, формирующего диффузионным способом. Это связано с тем, что с одной стороны толщина диффузионной области должна быть достаточно тонкой («мертвый слой»), т.е. слой на котором потери энергии заряженных частиц в нем не участвуют в формировании амплитудного энергетического спектра и с другой стороны достаточно толстой для обеспечения эффективного p-n барьера. Для обеспечения эффективных условий для формирования p-n барьера и одного из важного радиометрического параметра («мертвого слоя») ППД на основе Si(Li) p-i-n структур нами были проведены исследования по выбору оптимальных толщин диффузионной области по окончанию процесса дрейфа ионов лития на требуемую (задаваемую) толщину Si(Li) p-i-n структуры.

Исходя из сложности формирования высокоэффективных плоско-параллельных тонких p-n переходов, нами была разработана технология получения гетероструктур Si-Si(Li) для ППД больших размеров. В отличии от технологии получения ППД на основе Si(Li) p-i-n структур, Si-Si(Li) гетеропереходы были получены методом полного сошлифования диффузионной области (~300 мкм). На оставшуюся часть кремниевой пластины, компенсированной методом дрейфа ионов лития, были формированы Si-Si(Li) гетероструктуры.

В третьей главе диссертационной работы приводятся особенности электрофизических свойств детекторных структур на основе Si(Li) p-i-n и Si-Si(Li) больших размеров, а также изучены структурные свойства границы раздела детекторных гетероструктур Si-Si(Li).