Исследование особенностей формирования высокоэффективных детекторных структур больших размеров с оптимальными электрофизическими и радиометрическими свойствами. Анализ физических механизмов, влияющих на формирование амплитуды энергетических спектров.
Аннотация к работе
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. 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. 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. В настоящее время в мировой практике такого типа детекторы развиты только относительно малыми размерами (Диаметр чувствительной поверхности детектора O?50 мм, толщина рабочей области W?2 мм) [1,2,3]. 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).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. 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). Исследованы ВАХ при приложении напряжения обратного смещения на Si(Li) p-i-n структуры, изготовленных на основе кремниевых пластин разных диаметров , а также исходными параметрами: концентрация кислорода равнялась No=2·1017 cm-3. 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). В прямом направления ток переносится, инжектированными носителями из эмиттера, т.е. из гетероструктуру ?SI-Si(Li), а в запорном направлении ток в структуре определяется собственными носителями, генерируемые при комнатной температуре окружающей среды. а) прямая ветвь; б) обратная ветвь.Разработана технология создания детекторных структур Si(Li) p-i-n, ?SI-Si(Li) структур с большими площадями чувствительной поверхности. Установлено, что образованию «ямы» в области спада фотонапряжения ответственно наличие дефектов, как например: фазовые включения, примесные преципитаты, нанораз-мерные примесно-дефектные кластеры и др., которые несомненно существуют в объеме p-i-n структуры. Показано, что исследование проблемы движения частицы на границе раздела двух сплошных сред физических устройств можно рассматривать ее как задачу о движении частицы в неоднородном потенциальном поле, формируемого этой областью.
План
Основное содержание диссертации
Вывод
1. Разработана технология создания детекторных структур Si(Li) p-i-n, ?SI-Si(Li) структур с большими площадями чувствительной поверхности.
2. Установлены оптимальные научно-технологические способы формирования высокоэффективных барьерных свойств в Si(Li) p-i-n структурах и ?SI-Si(Li) гетероструктурах с оптимальными толщинами их входного окна («мертвого слоя»).
3. Исследованы релаксационные процессы фотопроводимости в Si(Li) p-i-n структурах. Показано, что на таких структурах на временной зависимости импульса фотонапряжения после соответствующего фотовозбуждения наблюдается ярко выраженная «яма». Установлено, что образованию «ямы» в области спада фотонапряжения ответственно наличие дефектов, как например: фазовые включения, примесные преципитаты, нанораз-мерные примесно-дефектные кластеры и др., которые несомненно существуют в объеме p-i-n структуры.
4. Показано, что исследование проблемы движения частицы на границе раздела двух сплошных сред физических устройств можно рассматривать ее как задачу о движении частицы в неоднородном потенциальном поле, формируемого этой областью. Полученные уравнения движения в неоднородном поле, в которой точечный источник рассматривается в качестве дефекта, и их аналитические решения, на основе классического представления, позволяют проводить траекторный анализ частицы в различных областях и таким образом утверждать, что электроны и дырки генерированные в результате ионизации атомов ядерным излучением перемещаются по направлению электрического поля в чувствительной области ППД. При этом собираемый заряд будет определятся отношением времени задержки к времени сбора их.
5. 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.
6. Определены энергетические спектры изготовленных гетероструктур по b-частицам ЭВК 207Bi (Eb~1 МЭВ) Rb=38 КЭВ и по а-частицами 226Ra (Ea=7,65 МЭВ) R?=65 КЭВ. Сравнительные характеристики показывают, что гетероструктуры полученные по разработанной технологии имеют улучшенные спектрометрические характеристики.
Список литературы
1. Акимов Ю.К., Игнатьев О.В, Калинин А.И, Кушнирук В.Ф. Полупроводниковые детекторы в экспериментальной физике. - М.: Энергоатомиздат, 1989. - 271 C.
3. Раджапов С.А. Исследование особенностей создания кремний-литиевых р-i-п детекторов большой площади для регистрации ионизирующего излучения малой активности. Автореф. Дис. … канд.физ. - мат. наук. -Ташкент: ТАШГУ. 1991. - 16 C.
4. Строкан Н.Б., Тиснек Н.И., Афанасьев В.Ф. // Приборы техника эксперимента. - Москва, 1968. - №5. - C.211.
5. Афанасьев В.Ф., Строкан Н.Б., Тиснек Н.И. // Приборы техника эксперимента. - Москва, 1970. - №2. - C.66.
6. Аюпов К.С., Бахадырханов М.С., Зикриллаев Н.Ф., Илиев Х.М. Физические явления в кремнии в крайне неравновесном состоянии. - Ташкент: ФАН, 2008.-341 C.
8. Бахадырханов М.С., Аюпов К.С., Мавлянов Г.Х., Зикриллаев Н.Ф., Нигманходжаев С. Активация нанокластеров атомов марганца в кремнии // ДАН РУЗ. - Ташкент, 2009. - №3-4. - C.58.
9. Бахадырханов М.С., Аюпов К.С., Арзикулов Э.У., Сражев С.Н., Тошбоев Т.У. Термические свойства кремния с кластерами атомов никеля // Известия Высших Учебных Заведений. Физика. - Москва, 2008. - №11/3. - C.170-172.
10. Аронов Д.А., Зайтова В. Фотомагнитный эффект и фотопроводимость в полупроводниках при высоких уровнях возбуждения. - Ташкент: ФАН, 1987. - 241 C.
11. Мнацаканов Т.Т., Левинштейн М.Е., Тандоев А.Г., Юрков С.Н.Особенности динамической инжекции и процессов модуляции базового слоя в мощных n -p-p структурах // ФТП. - С.Петербург, 2007. - т.41.- вып.11. - C. 1401-1407.
12. Dean R.H. // J.Appl Phys. - 46, 585 (1969).
13. Каражанов С.Ж. Свойства точно компенсированных полупроводников // ФТП. - С.Петербург, 2000. - т.34. вып.8. - C. 917-922.
14. Рывкин С.М. Фотоэлектрические явления в полупроводниках. - Москва: Гос. Изд. Физмат. Лит., 1963. - 494 C.
15. Fedulov V. I., Zakhidov R.A., Anarbaev A. Particle in nonuniform potential field of photovoltaic devices // Applied Solar Energy. - New York, 2009. - v.45. N3. -PP.157-161.
СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ
1. Mumimov R.A., Kanyazov Sh.K., Saymbetov A.K. Relaxation process features of photoconductivity in p-i-n structures. // Semiconductor physics quantum electronics & optoelectronics. - Kiev, 2010. -V.13. - No.3. - PP.258-260.
2. Fedulov V.I., Mumimov R.A., Saymbetov A.K. Particle in the structure with the inhomogeneous potential field and the point source // Uzbek journal of Physics. - Tashkent, 2010. - V.12. - No.3. - PP.127-131.
3. Саймбетов А.К. Особенности электрофизических характеристик детекторных гетероструктур ?SI-Si // Доклады Академии наук Республики Узбекистан. - Ташкент, 2010. №5. - С. 24-26.
4. Муминов Р.А., Раджапов С.А., Саймбетов А.К. Полупроводниковые детекторы ядерного излучения на основе ?SI-Si // Новые технологии. - Кременчуг, 2008. - №3(21). - С.9-12.
5. Муминов Р.А., Саймбетов А.К., Раджапов С.А. Временная деградация низкофоновой установки на основе Si(Li) детекторов большой площади // Доклады Академии наук Республики Узбекистан. - Ташкент, 2008. - №6. - C.25-27.
6. Саймбетов А.К. Кремний-литиевые детекторы ядерного излучения больших размеров. // XVII Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов 2010» 12-15 апреля 2010. - Москва, 2010. 2-том. - С.288.
7. Саймбетов А.К. Вольтфарадная характеристика детекторов ядерного излучения на основе гетероструктур ?SI-Si. // XI Международная конференция Физика твердого тела и международный симпозиум Наноматериалы для защиты промышленных и подземных конструкций 9-12 июня 2010. - Усть-Каменогорск, 2010. - C.466-467.
8. Саймбетов А.К., Курбанова М.Н., Раджапов Б.С., Рузибаев О.М. Стриповые детекторы ядерного излучения на основе ?SI-Si. // XI Международная конференция Физика твердого тела и международный симпозиум Наноматериалы для защиты промышленных и подземных конструкций 9-12 июня 2010. - Усть-Каменогорск, 2010.- C.468-469.
9. Muminov R.A., Saymbetov A.K., Radjapov S.A. Nuclear radiation Si(Li) p-i-n detector with extension sensitive (10 mm) region. // 2-International Conference Current Problems in Nuclear Physics and Atomic Energy 9 - 15 June 2008. - Kyiv, 2008. - PP.83-84.
10. Muminov R.A., Saymbetov A.K., Radjapov S.A., Pindurin Yu.S. By low-temperature method. // 2-International Conference Current Problems in Nuclear Physics and Atomic Energy 9 - 15 June 2008. - Kyiv, 2008. - P.84.
11. Муминов Р.А., Раджапов С.А., Саймбетов А.К. Полупроводниковые детекторы больших размеров на основе гетероструктур ?SI-Si // Международной конференции Фундаментальные и прикладные вопросы физики 24-25 ноября 2010. - Ташкент, 2010. - С.252-253.
12. Муминов Р.А., Раджапов С.А., Саймбетов А.К., Пиндюрин Ю.С., Зиявуддинов Р.С., Раджапов Б.С. Установка для определения объемной активности радона в воздухе и воде на основе Si(Li) детектора // Международной конференции Фундаментальные и прикладные вопросы физики 24-25 ноября 2010. - Ташкент, 2010. - С.253-254.
13. Саймбетов А.К. Особенности релаксационных процессов фотопроводимости в p-i-n структурах. // Физика фанининг бугунги ривожида истеъдодли ешларнинг урни» Республика еш олимлар ва и?тидорли талабаларнинг илмий анжумани 8-9 апрель 2010. - Ташкент, 2010 - C.171-176.
14. Саймбетов А.К. Полупроводниковые детекторы на основе ?SI-Si. Табиий фанларнинг долзарб муаммолари Республика еш олимлар илмий-амалий анжумани 12 сентябр 2008. - Самарканд, 2008. - С.112-113.
РЕЗЮМЕ диссертации Саймбетова Ахмета Куанышбаевича на тему: “Особенности влияния границы раздела и протяженности области объемного заряда на электрофизические характеристики детекторных структур” на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности
Объекты исследования: изготовление детекторных Si(Li) p-i-n и ?SI-Si(Li) структур больших размеров.
Цель работы: исследование особенностей формирования высокоэффективных детекторных структур больших размеров с оптимальными электрофизическими и радиометрическими свойствами, а также изучения новых физических механизмов, влияющих на формирование амплитуды энергетических спектров в них.
Методы исследования: методы исследования вольтамперных и вольтфарадных характеристик детекторных структур; метод исследования особенности фотонапряжения в неоднородных участках чувствительной области Si(Li) p-i-n структур, а также структурные исследования границы раздела ?SI-Si(Li).
Полученные результаты и их новизна: -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; -на основе исследовании релаксационных процессов фотопроводимости в 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»; -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, перемещаются более длинной траекторией по направлению электрического поля в чувствительной области ППД.
Практическая значимость: полученные детекторные структуры Si(Li) p-i-n, ?SI-Si(Li) больших размеров имеют значения для понимания физических процессов для различных полупроводниковых приборов больших размеров, а также практические значения для совершенствования их характеристик.
Степень внедрения и экономическая эффективность: результаты исследований нашли применение в оптимизации свойств Si(Li) ППД при выполнении х/договорных работ с ОАО «УЗКТЖМ”, ОАО «Узбекхимаш”, с общим финансированием ~20 млн.сум.
Область применения: исследованные детекторные структуры, имеют перспективы в решении фундаментальных и прикладных задач ядерной физики.
Тад?и?од объектлари: катта улчамли детекторли Si(Li) p-i-n ва ?SI-Si(Li) структураларни ишлаб чи?ариш.
Ишнинг ма?сади: оптимал электрофизик ?амда радиометрик хусусиятларга эга катта улчамли ю?ори самарали детекторли структураларни ишлаб чи?ишнинг узига хос хусусиятлари, шунингдек, янги физик механизмларнинг улардаги энергетик спектрлар амплитудаси пайдо булишига таъсирини урганишдан иборат.
Тад?и?од методлари: детекторли структуралар вольтампер ва вольт-фарада характеристикаларини улчаш услублари; Si(Li) p-i-n структуралар сезгирлигининг бир жинсли булмаган со?аларидаги фотокучланиш хусусиятларини тад?и? этиш услуби, шунингдек ?SI-Si(Li) булиниш чегарасининг структуравий тад?и?отлари.
Олинган натижалар ва уларнинг янгилиги: катта улчамли Si(Li) p-i-n структура ва ?SI-Si(Li) гетероструктуралар асосидаги ЯУД радиометрик параметрлари ва электрофизик хусусиятларини оптимал ?осил ?илишнинг физик-технологик усуллари ишлаб чи?илди. Si(Li) p-i-n структуралардаги фотоутказувчанлик жараенларининг релаксация тад?и?оти асосида ушуб со?анинг ало?ида ?исмларида фотокучланиш импульсининг ва?тинчалик бо?ланишида мос келувчи фото?уз?алишдан кейин ани? ифодаланган “ура” кузатилиши ани?ланди. Si(Li) p-i-n структуралар i-со?асидаги заряд ташувчиларининг ?аракат траекторияси ундаги бир жинсли булмаган потенциал майдоннинг бу жараенга таъсирини ?исобга олган ?олда ушбу шарт-шароитдаги ядровий нурланиш таъсиридаги атомлар ионизацияси натижасида генерацияланган электрон ва тешиклар ЯУД сезгирлик со?асининг электр майдони йуналиши буйлаб анчагина узун траектория билан аралашиши утказилган аналитик ?исоб-китоблар асосида курсатиб берилди.
Амалий а?амияти: олинган катта улчамли Si(Li) p-i-n, ?SI-Si(Li) детекторли структуралар, катта улчамли турли хил яримутказгичли асбобларда руй берувчи физик жараенларни тушуниш, шунингдек уларнинг хусусиятларини мукаммаллаштиришда амалий а?амиятга эгадир.
Татби? этиш даражаси ва и?тисодий самарадорлиги: олинган натижалар умумий ?иймати ~20 млн.сумдан иборат ОАЖ «УЗ??УЧМК», ОАЖ «Узбеккимемаш» билан тузилган хужалик шартномаларини бажаришда Si(Li) ЯУД хусусиятларини оптималлаштиришда уз тадби?ини топди.
?улланилиш со?аси: тад?и? этилган ва ишлаб чи?илган детекторли структуралар ядро физикаси амалий ва фундаментал масалаларини ечишда катта исти?болга эга.
RESUME
Of the thesis of Saymbetov Ahmet Kuanishbayevich on the scientific degree-competition of the doctor of philosophy in physics - mathematical sciences on а specialty 01.04.10 - semiconductors physics on subject: “The features of influence of interface and spatial charge of extended region on electrophysical characteristics of detector structures”.
Key words: diffusion of lithium, drift of lithium ions, p-i-n structure, heterostructure, interface.
Subject of research: manufacturing of the large size Si(Li) p-i-n and ?SI-Si(Li) detector structures.
Purpose of work: investigation the features of formation of the large size high efficiency detector structures with optimal electrophysical and radiometric properties as well as study of new physical mechanisms of influencing for formation their amplitude of energetic spectra.
Methods of research: method of investigation of current-voltage and volt-capacity characteristic of detector structures; method of investigation of features of photovoltage in nonuniform area of the sensitive regions of Si(Li) p-i-n structure, as well as investigation of the structure research of ?SI-Si(Li) interface.
The results obtained and their novelty: physic-technological methods of formation structures with of optimum properties of electrophysical characteristics and radiometric properties of semiconductor detectors on the base of Si(Li) p-i-n structures and ?SI-Si(Li) heterostuctures with large area are developed; on the base of investigation of relaxation photoconductivity processes in Si(Li) p-i-n structure have been carried out that on the some regions of these area was pronounced a “well” on time dependence of photovoltage’s impulse after corresponding photoexcitation is observed; on the basis of analytical calculations of the trajectory of carriers transport in i - area of Si(Li) p-i-n structure where take into account the influence on this process of inhomogeneous potential field it has shown that under such conditions electrons and holes generated as a result of ionization of atoms by nuclear radiation moved forward longer trajectory in electric field direction in sensitive part of semiconductor detector.
Practical value: researched detectors structures Si(Li) p-i-n and ?SI-Si(Li) have possess for understanding of physical processes in various large size semiconductor devices as well as practical value for improving of their characteristics.
Degree of embed and economic affectivity: results of investigations had application for optimization of properties of Si(Li) semiconductor detectors at fulfilling contract work with OJSC «UZCRHRM», OJSC «Uzbekchimmash» with total financing around 20 million sum.
Field of application: investigated detector structures have prospects for developing of fundamental and applied problems of nuclear physics.