Кремниевые PIN - и APD - детекторы для диагностики ядерных частиц в Газодинамической Ловушке

1. Кремниевые PIN - и APD - детекторы для диагностики ядерных частиц в Газодинамической Ловушке И.Б.Чистохин, Е.Г.Тишковский, О.П.Пчеляков- ИФП СО РАН В.В. Максимов, А.А. Иванов- ИЯФСО РАН Е. Грамч – Университет Сантьяго, Чили. Новосибирск

2. Содержание доклада • Мотивация работы • Основные принципы работы и создания PIN диодов для регистрации заряженных частиц • Проблемы при построении PIN и APD фотодиодов • Основные конструкции APD фотодиодов • Наши экспериментальные результаты

3. Мотивация работы

4. Принцип действия PIN диода для детектирования высокоэнергетических частиц

5. Энергетическая зонная диаграмма PIN диода

6. Основные параметры кремния для PIN диода: Глубина обедненного слоя d (мкм) Емкость С (пФ) Объемный генерационный ток  - удельное сопротивление, U - приложенное напряжение, A – площадь, q– заряд электрона, ni- концентрация носителей заряда, - время жизни

7. Количествоэлектрон-дырочных пар определяется величиной M: при WSilicon=3.6 эВ Ep – энергия падающей частицы W – энергия ионизации материала C.F. Williamson, J.P.Boujot, and J.Picard, CEA-R-3042 (July 1966)

8. Проблемы при построении PIN диода: • Наличие поверхностных токов утечек; • Проявление локальных электрических полей вблизи границ p-n переходов, которые могут приводить к ударной ионизации и лавинному пробою

9. Влияние встроенного заряда в SiO2

10. Два подхода для решения этих проблем: • Металлизация перехода с перекрытием пассивирующего слоя SiO2 • Окружение активного перехода многочисленными охранными кольцами или JTE (Junction Termination Extensions)переходами

11. PIN диод с охранными кольцами EvguenyStefanov et al Solid-State Electronics 42 (1998) 2251-2257

12. PIN диод с JTE переходами D.C. Sheridan et al. Solid-State Electronics 45 (2001) 1659-1664

13. Технология изготовления PIN диодов

14. PIN диоды Достоинства: • Высокое быстродействие (<10-10c), ввиду малой емкости, определяемой шириной ОПЗ при обратном смещении; • Низкий уровень шумов; • Возможность регистрации высокоэнергетичных частиц, пробег которых лежит в пределах ОПЗ с шириной, сравнимой с толщиной подложки Проблемы: • Из-за использовании высокоомного кремния усиливается влияние встроенного заряда в диэлектрике на токи утечки • Необходимость оптимизации топологии охранных колец применительно к конкректным физическим параметрам материала и технологии изготовления прибора;

15. APD лавинные фотодиоды • Фирмы, выпускающие APD: • Hamamatsu, • Advanced Photonix Inc. (API), • Radiation Monitoring Devices (RMD), • PerkinElmer

16. APD лавинные фотодиоды Достоинства: • Высокая чувствительность, благодаря использованию внутреннего усиления; • Полная совместимость со стандартной планарной кремниевой технологией; Проблемы: • Необходимость оптимизации топологии охранных колец применительно к конкректным физическим параметрам материала и технологии изготовления прибора; • Высокие требования к стабильности источников питания; • Высокий уровень собственных шумов; • Повышенные требования к однородности кремния

17. PIN диоды, используемые в ГДЛ Амплитудное распределение отклика PIN диода (8 мм) при регистрации 3.02 МэВ протонов от DD реакции внутри ГДЛ. Длительность регистрируемых импульсов тока примерно 30 нсек. Отношение средней амплитуды к полуширине распределения 8

18. APD лавинный фотодиод с глубокой диффузией и JTE переходами

19. Фрагмент топологии фотошаблона для формирования распределенной области P- - в APD фотодиоде

20. Кристаллы с лавинными фотодиодами Al

21. ВАХ и зависимость коэффициента усиления лавинного фотодиода от приложенного напряжения

22. Амплитудное распределение отклика APD фотодиода (2 мм) при регистрации альфа частиц (Pu 239)5 МэВ от приложенного напряжения

23. Заключение Созданный PIN диод ( 8 мм) и APD диод ( 2 мм) показывают более высокое энергетическое разрешение (3-5 раз) в сравнении со сцинтиляциоными детекторами на основе ФЭУ, что позволяет их применять для диагностики ядерных частиц

24. БЛАГОДАРЮ ЗА ВНИМАНИЕ