Разработка и характеристики кремниевых координатно-чувствительных детекторов для физики высоких энергий и ядерной физики - Статья

РАЗРАБОТКА И ХАРАКТЕРИСТИКИ КРЕМНИЕВЫХ КООРДИНАТНО-ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ДЕТЕКТОРОВ ДЛЯ ФИЗИКИ ВЫСОКИХПредставлены разработки ряда кремниевых координатно-чувствительных детекторов частиц и излучений для экспериментов в физике высоких энергий и ядерной физике, проводимых коллаборациями HERA-B, LHCB и научными учреждениями Европы и Украины.Их преимуществами являются небольшая энергия, расходуемая на образование электронно-дырочной пары, которая в кремнии составляет около 3,6 ЭВ, высокая тормозная способность, что придает компактность детектору, высокая скорость набора статистики, наиболее отработанная технология производства кремниевых детекторов, высокая радиационная стойкость, способность работать в магнитных полях, в вакууме и жидкости [1 - 7]. Однако при разработке и изготовлении детекторов необходимо решить ряд технологических проблем, в том числе связанных с требованиями малых токов утечки (1 - 10 НА/см2) при использовании высокоомного кремния, обеспечением бездефектной структуры на больших площадях (1 - 10 см2 и более) при большом количестве элементов детектора (10-103 стрипов), а также с ограничениями стандартного оборудования, предназначенного для изготовления кристаллов размерами до 10 ? ? 10 мм2, в то время как кристаллы микростриповых детекторов имеют на порядок большие размеры. Координатно-чувствительные детекторы на кремниевых p-i-n диодах представляют собой ряд узких р -полосок (стрипов) на лицевой стороне пластины высокоомного кремния n-типа, образующих р -n переходы с n-подложкой. Шаг стрипов P определяется задачами эксперимента (вершинные, трековые или другие детекторы) и может выбираться от десятков микрон, например [4], до сотен [8, 9]. Харьков, Украина), который содержал 38 стрипов с шагом 400 мкм, шириной р -области 350 мкм и зазором между стрипами 50 мкм.Разработанные технологии обеспечивают по-лучение детекторов, имеющих высокие электрофизические параметры: низкие токи утечки (1 - 10 НА/см2) на кремнии зонной плавки с удельным сопротивлением (3 - 5) ? 103 Ом ? см; высокую радиационную стойкость (например, при уровне дозовых нагрузок 2 Мрад и выше детектор остается работоспособным, соотношение С/Ш остается не ниже 12, а эффективность реконструкции треков частиц снижается на 20 - 25 %). Разработанные технологии адаптированы к технологии серийного производства ИС и обеспечивают возможность массового производства детекторов на технологических линейках по производству ИС. Детекторы, изготовленные из оксигенированного кремния, имеют такие же электрофизические параметры, как и детекторы из обычного кремния, и до радиационных нагрузок порядка 2 Мрад не проявляют отличий в эффективности реконструкции треков частиц. Показано, что разработанные, изготовленные и протестированные микростриповые кремниевые детекторы для ряда экспериментов обеспечивают надежную регистрацию полезных событий на фоне шума (соотношение С/Ш не менее 20 для необлученных образцов) и высокое пространственное разрешение (для геометрии представленных конструкций значения разрешений согласуются с расчетными, их типичные значения - десятки микрон), что позволяет эффективно реконструировать треки продуктов ядерных реакций при взаимодействии встречных пучков высокоэнергетичных частиц в других реакциях и взаимодействиях, в том числе и при радиационных нагрузках в несколько мегарад и выше.