Физико-технологические основы создания кремниевого фотоэлектронного умножителя высокой эффективности с малой оптической связью Жуков Андрей Александрович

Содержание к диссертации

Введение

ГЛАВА 1 Современные типы детекторов света малой интенсивности излучения, их конс тр укт ив но -технологические особенности и области пр именения 17

1.1. Электровакуумные приборы 17

1.2. Детекторы на основе полупроводников 21

1.2.1. Диоды на основе полупроводников с областью собственной проводимости 21

1.2.2. Диоды, обеспечивающие внутреннее усиление посредством эффекта лавинного умножения 24

1.2.3. Фотод иоды с использованием реж има Гейгера 26

1.2.4. Кремниевые фотоэлектронные умножители 27

1.2.5. Сравнение SiФЭУ с другими типами детекторов 32

Выводы к главе 1 34

ГЛАВА 2 Разработка технологических методов оптической связи 36

2.1. Сравнительное исследование и методы подавления взаимного влияния ячеек SiФЭУ друг на друга с целью оптимизации параметров прибора 36

2.2. Анализ взаимного влияния ячеек и выбор конструктивных и технологических методов подавления взаимной связи ячеек 38

Выводы к главе 2 47

ГЛАВА 3 Технологический базис для изготовления SiФЭУ 48

3.1 Техпроцесс формирования глубокозалегающего дополнительного p-n-перехода 49

3.2 Техпроцесс создания поглощающего слоя на обратной стороне 50

3.3 Техпроцесс разделения ячеек между собой V-образными канавками, получаемыми на финишных этапах технологического маршрута при помощи высокоселе кти вного травления в ЭД П 60

3.4 Способ создания высокоомного поликремниевого резистора с подгонкой проводимости ИИ B+ 66

3.5 Техпроцесс формирования металлической разводки при помощи проекционной фотолитографии на пластинах с рельефом до 5 мкм 69

3.6 Техпроцесс формирования просветляющего двуслойного покрытия для формирования максимальной чувствительности детектора на длине волны 420 нм 75

3.7 Технология формирования кремниевых фотоэлектронных умножителей на базе оборудования и процессов, используемых в цикле для изготовления КМОП изделий с проектными нормами 1.6 мкм 85

Выводы к главе 3 90

ГЛАВА 4 Анализ параметров изготовленных SiФЭУ с учетом проявления методов

4.1 Описание и технические характеристики изготовленных SiФЭУ 92

4.1.1. Эффективность регистрации света в режиме счета 94

4.1.2. Шум-фактор (ENF) 98

4. 1.3. Коэффициент усиления 99

4.1.4. Оптическая связь 102

4.2. Исследования SiФЭУ в мировых физических экспериментах 103

4.2.1. Использование SiФЭУ в тайловом адронном калориметре в международ ном лине йном коллайдере 103

4.3.1. Использование SiФЭУ в эксперименте MAGIC (Major Atmospheric Gamma Imaging Cerenkov Telescope) 110

4.3. Анализ результатов 118

Выводы к главе 4 119

Заключение 120

Литература

• Диоды на основе полупроводников с областью собственной проводимости
• Анализ взаимного влияния ячеек и выбор конструктивных и технологических методов подавления взаимной связи ячеек
• Способ создания высокоомного поликремниевого резистора с подгонкой проводимости ИИ B+
• Использование SiФЭУ в тайловом адронном калориметре в международ ном лине йном коллайдере

Введение к работе

Актуальность темы

Регистрация импульсного оптического излучения слабой интенсивности на уровне одиночных фотонов в современных физических экспериментах является одной из актуальных задач, применение получили вакуумные фотоэлектронные умножители (ФЭУ). Однако некоторые недостатки, основными из которых являются большие размеры, высокое напряжение питания и чувствительность к магнитным полям, препятствуют использованию ФЭУ в ряде экспериментов.

Указанные недостатки фотоэлектронных умножителей мотивируют заниматься активными разработками твердотельных приборов на основе полупроводников, где используется явление внутреннего фотоэффекта. Для регистрации светового импульса сигнал детектора должен превышать шум электроники в соответствующей частотной полосе. В случае импульсов слабой интенсивности, длительностью не превышающих несколько микросекунд, для обеспечения этого условия необходимо иметь достаточно высокое внутреннее усиление в фотодетекторе. Полупроводниковые приборы с внутренним усилением заряда были разработаны более 50 лет назад, где усиление было обусловлено ударной ионизацией, данный класс приборов назвали лавинные фотодиоды (ЛФД). Достоинствами современных лавинных фотодиодов являются их квантовая эффективность, предельные значения которой достигают 90 %, высокое быстродействие и широкий динамический диапазон. Лавинные фотодиоды в пропорциональном режиме работы имеют коэффициент усиления до 10³. Однако его нестабильность, обусловленная природой процесса размножения носителей, приводит к возникновению дополнительного шума, не позволяющего регистрировать одиночные фотоны при комнатной температуре. Лавинные фотодиоды, работающие в гейгеровском режиме, дают возможность регистрировать одиночные фотоны, но не позволяют получать информацию об интенсивности светового сигнала.

Учитывая существующие недостатки ЛФД, мировым сообществом
проводились разработки полупроводникового детектора, который

позволяет регистрировать как единичные фотоны с высокой эффективностью и амплитудным разрешением, так и потоки фотонов высокой интенсивности.

Образцы подобных детекторов фотонов появились в России около 35 лет назад, принцип работы детекторов был недостаточно изучен и эффективность регистрации света не высокая. Спустя 5 лет появилась теоретическая модель, описывающая физические принципы работы данного класса приборов, таким образом, были заложены теоретические основы для будущего создания и улучшения нового типа твердотельных

фотодетекторов. Принцип работы новых приборов основан на совокупности микросчётчиков, которые работают в гейгеровском режиме и сформированы на общей подложке. Данный класс приборов далее будем обозначать как кремниевые фотоэлектронные умножители - Si03Y.

В настоящее время все больше институтов и коммерческих компаний в различных странах мира начинают разрабатывать аналоги Si

В настоящее время в ряде крупных физических экспериментов требуются детекторы синего и ультрафиолетового спектра света с высокой эффективностью регистрации фотонов и одновременно низкой величиной оптической связи, что является сложной задачей т.к. улучшение одного из указанных параметров неизбежно ведет к ухудшению другого.

Так, например, для Международного Линейного Коллайдера (ILC) требуется изготовление адронного калориметра со сверхвысокой гранулярностью, способного работать в магнитном поле 4Т. Реализация данного калориметра возможна при использовании пластиковых сцинтилляторов с высвечиванием в синем и ультрафиолетовом спектре света и с последующей регистрацией данного излучения при помощи Si

В гамма-астрономии наименее изученным диапазоном энергий гамма-квантов является диапазон от десятков ГэВ до 1 ТэВ, при указанных величинах энергий эффективность методов наблюдений на базе космических аппаратов существенно падает, а чувствительность стационарных наземных Черенковских телескопов является недостаточной для надежного определения первичных гамма-квантов. На текущий момент самым низким порогом по энергии (около 20 ГэВ) обладает телескоп в эксперименте MAGIC (Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov-Telescope). В качестве детекторов оптического излучения в нем используются вакуумные ФЭУ, которые обладают квантовой

эффективностью порядка 34%, вероятно, что замена вакуумных ФЭУ на полупроводниковые БіФЗУ с увеличенной эффективностью регистрации света в диапазоне длин волн 300-600 нм позволит понизить порог по энергии.

Цель диссертационной работы - Целью диссертационной работы
является разработка, исследование и оптимизация параметров
технологических процессов, и разработка конструкторских решений для
совершенствования параметров кремниевых фотоэлектронных

умножителей, обладающих высокой эффективностью регистрации света синего и ультрафиолетового спектра, минимальной оптической связью для применения в физике высоких энергий и медицине.

Задачи, которые необходимо было решить для достижения цели:

1. Проанализировать конструкции и технологии изготовления фотоумножителей, используемых в мировой практике, особенности и методы получения приборов с высокими значениями эффективности и низкими значениями оптической связи.

2. Исследовать влияние параметров основных конструктивных элементов на технические характеристики 8ІФЗУ.

3. Разработать конструктивно-технологические решения, обеспечивающие эффективное подавление оптической связи между элементами кремниевого фотоэлектронного умножителя.

4. Создать и исследовать экспериментальные образцы кристаллов БіФЗУ. Провести оптимизацию основных параметров технологических процессов изготовления высокоэффективных БІФЗУ.

Научная новизна результатов, полученных в настоящей работе, заключается в следующем:

5. Предложен способ получения уникального профиля фотоактивации диазохинона по глубине пленки позитивного фоторезиста посредством его послойного нанесения с промежуточным экспонированием, что позволяет управлять профилем и углом наклона стенок маски в диапазоне от +30 до -55 для использования во «взрывной» литографии на рельефе до 5 мкм.

6. Предложен комплекс конструктивно-технологических мер, позволяющий создавать высокоэффективные БіФЗУ с низким уровнем оптической связи, в том числе:

обосновано и продемонстрировано, что создание р-п перехода, разделяющего фоточувствительные слои от подложки, обеспечивает экстракцию избыточных носителей заряда, таким образом, снижает вероятность паразитного срабатывания соседних ячеек;

выявлено, что имплантация ионов фтора в обратную сторону подложки позволяет создавать нарушенный слой на границе подложка-воздух, который обеспечивает поглощение проникающего через объем

подложки света и снижает интенсивность его отражения, обеспечивая снижение вероятности паразитного срабатывания ячеек матрицы на лицевой стороне;

- установлено, что создание v-образных канавок между ячейками
матрицы, покрытых диоксидом кремния, обеспечивает оптическую
изоляцию ячеек БіФЗУ от вторичного излучения за счет эффекта
полного отражения на границе раздела Si\Si0₂, таким образом,
препятствует паразитному срабатыванию соседних ячеек.

3) Предложена математическая модель и методика расчета, основанные на частном решении формул Френеля для системы Si\Si02\Si3N4 в диапазоне длин волн 350-450 нм, позволяющие определить оптимальные параметры просветляющего композитного диэлектрика для повышения чувствительности ячеек 8ІФЗУ.

Практическая значимость

7. Разработанные макеты полупроводниковых фотоэлектронных умножителей с рекордными показателями использованы в международных физических экспериментах MAGIC (Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov Telescopes), ILC (International Linear Collider).

8. Изготовленные кристаллы БіФЗУ использовались для создания модуля, содержащего охлаждаемую матрицу для эксперимента MAGIC.

9. Разработан способ формирования фоторезистивной маски на основе позитивного фоторезиста на кремниевых пластинах с рельефом до 5 мкм с использованием стандартного оборудования проекционной фотолитографии в мелкосерийном производстве интегральных микросхем. Оптимизированный технологический маршрут с проектными нормами 1.6 мкм обеспечивает реализацию новых конструктивных решений для возможности выпуска кристаллов БіФЗУ с рекордными показателями эффективности регистрации света синего и ультрафиолетового спектра более 50%, взаимосвязи между ячейками 3-6%, шум-фактора-1.03.

10. Созданный прототип тайлового адронного калориметра на основе изготовленных 8ІФЗУ для Международного линейного коллайдера показал рекордную гранулярность, что позволило впервые в мире исследовать в деталях развитие адронных ливней (энергетическое разрешение для адронов составило 45% )

Основные положения, выносимые на защиту

1) Комплекс конструктивно-технологических мер позволяет создавать высокоэффективные БіФЗУ с низким уровнем оптической связи:

- создание р-n перехода, разделяющего фоточувствительные слои от
подложки, снижает вероятность паразитного срабатывания соседних
ячеек;

имплантация ионов фтора в обратную сторону подложки снижает вероятность паразитного срабатывания ячеек матрицы на лицевой стороне;

создание v-образных канавок между ячейками матрицы, покрытых диоксидом кремния, препятствует паразитному срабатыванию соседних ячеек.

2. Метод послойного нанесения пленки фоторезиста с его промежуточным экспонированием позволяет управлять профилем и углом наклона стенок маски в диапазоне от +30 до -55 для использования во «взрывной» литографии на рельефе до 5 мкм.

3. Модель и методика расчета оптимальных параметров просветляющего композитного диэлектрика для системы Si\SiC>2\Si3N4 в диапазоне длин волн 350-450 нм ячеек Si03Y.

Апробация работы

Результаты исследований диссертации обсуждались на:

1. Международном семинаре по новым детекторам фотонов (International Workshop on New Photon Detectors, Япония, 2009),

2. Международная конференция по технологиям создания изображений в областях субатомной физики, астрономии, медицине, биологии и индустрии (International Conference on imaging techniques in subatomic physics, astrophysics, medicine, biology and industry, Стокгольм 2010),

3. Промышленная академия согласования результатов по Si03Y и смежных технологий (Industry-academia matching event on SiPM and related technologies, Швейцария, CERN 2011).

4. Полученные приборы на основе БіФЗУ успешно опробованы на тестовых пучках DESY, Германия (Немецкий Электронный Синхротрон) и FNAL, США (Fermi National Accelerator Laboratory U.S. Department of Energy). Исследован прототип нового тайгового адронного калориметра на основе 8ІФЗУ для международного линейного коллайдера (CERN). Изготовленные БіФЗУ были опробованы и использованы для эксперимента MAGIC (Major Atmospheric Gamma Imaging Cerenkov-Telescope).

Личный вклад

Автору принадлежит основная роль в разработке технологии изготовления прибора, проведении исследований и разработке новых технологических процессов. Автор участвовал в разработке конструктивных решений, изготовил в производстве НПК «Технологический центр» образцы Si03y, принимал участие в измерении электрических и технологических параметров образцов БіФЗУ.

Патенты

Патент на полезную модель Ru 152511, Российская Федерация, № заявки 2014148496/07 (077984) от 02.12.2014.

Патент RU 2586400 СІ, Российская Федерация, № заявки 2015116035/28 от 28.04.2015.

Публикации

Основные результаты работы представлены в 7 публикациях, в том числе в 6 работах, опубликованных в журналах, рекомендованных ВАК и в 2 патентах РФ на изобретение.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из следующих структурных элементов: титульного листа, содержания, списка обозначений и сокращений, введения, 4-х глав с выводами, заключения, списка использованной литературы из 83 наименований. Содержание диссертации изложено на 133 страницах, включая 53 рисунка и 10 таблиц.

Диоды на основе полупроводников с областью собственной проводимости

Лавинные полупроводниковые приборы с внутренним усилением тока за счет ударной ионизации были созданы более 50 лет назад. В лавинном фотодиоде (ЛФД) достигается усиление первичного фототока посредством управляемого лавинного умножения числа носителей заряда. Этому способствует конструктивные особенности ЛФД. Лавинное умножение достигается при помощи увеличения напряжения смещения Есм до величины, которая близка к пробойному напряжению. В этот момент на p - n переходе устанавливается сильное электрическое поле (Е 105 В/см). Указанная напряженность электрического поля достигается в узкой области. Высокое быстродействие прибора достигается, если большая часть фотонов поглощается в слое с сильным электрическим полем. Фотоны, пролетающие слой умножения, не успевают взаимодействовать с кристаллами, и носители зарядов, которые образуются в слое поглощения, дрейфуют к соответствующим потенциалам. Двигаясь в сильном поле, носители заряда приобретают большую кинетическую энергию и, передавая часть ее другим носителям, порождают новые носители (электроны и дырки). Одним из недостатков лавинных фотодиодов (ЛФД) является сложность достижения коэффициента усиления более 103. Это ограничение связано с тем, что в образовании лавины в больших электрических полях участвуют и те и другие носители, что приводит к ее неограниченному росту и в последующем тепловому пробою p-n перехода. Причем лавина, приводящая к пробою, может возникать не только из-за внешнего излучения, но и по причине тепловой генерации носителей заряда на неоднородностях решетки, дефектах и т.д. Таким образом, одним из возможных вариантов достижения высоких коэффициентов усиления для ЛФД является подавление коэффициента ионизации для одного из типов свободных носителей. Принцип работы показан на рисунке 6. Рисунок 6 - Иллюстрация схемы и принципа работы лавинного фотодиода

По причине статистической природе лавинного процесса, лавинные фотодиоды как и фотоэлектронные умножители, генерируют избыточный шум умножения ENF, который определяется согласно формуле (1.3). Шум-фактор ENF для ЛФД является функцией вычисляется по формуле [21]: ENF = кМ + (1 - к)(2 - —) , (1. 7) где к - это отношение коэффициента ионизации дырок к коэффициенту ионизации электронов. Из данной формулы следует, что ENF не может быть меньше 2. Одним из самых больших и первых экспериментов в физике высоких энергий, где использовались ЛФД, был компактный мюонный соленоид (Compact Muon Solenoid) один из двух больших детекторов элементарных частиц на большом адронном коллайдере. [22]. 1.2.3. Фотодиоды с использованием режима Гейгера

При условии если требуются очень высокие коэффициенты усиления, порядка 105 – 106, существует методы эксплуатации некоторых типов ЛФД при напряжениях выше пробойных. Однако для таких случаев требуется ограничивать ток диода. Таким образом, подобные приборы работают в режиме Гейгера (Geiger mode), при условии низкого уровня внутренних шумов на основе таких приборов возможно построение регистраторов однофотонных излучений. Работы по изучению характеристик данного класса приборов проводятся уже более 50 лет. Обычно гейгеровские фотодиоды - то одноэлементные приборы с активной площадью ячейки около 20х20 микрон. Гашение разряда ранее производилось при помощи пассивного внешнего резистора [23], в более позднее время стали использоваться специально разработанные схемы активного гашения и принудительного восстановления ячейки [24], это позволило значительно увеличить быстродействие системы.

Подобные типы детекторов, например, лавинный диод для счета одиночных фотонов SPAD (Single Photon Avalanche Diode) [26], представленный на рисунке 7, способны зарегистрировать одиночные фотоны. На рисунке 7 представлен один из элементов многоэлементного прибора.

Иллюстрация схемы и принципа работы лавинный диод для счета одиночных фотонов SPAD (Single Photon Avalanche Diode) [25] Величина сигнала при гейгеровском разряде позволяет работать без усилителя на нагрузку около 50 Ом. Недостатками гейгеровских фотодиодов являются следующие: возможность получения информации при срабатывании только в формате «0/1», невозможность определения интенсивности входного светового сигнала, нечувствительность детектора после срабатывания до восстановления.

Анализ взаимного влияния ячеек и выбор конструктивных и технологических методов подавления взаимной связи ячеек

Такие канавки, даже незаполненные поглощающим и непокрытые отражающим материалами, а просто окисленные для защиты поверхности кремния, обладают изолирующими свет свойствами. Это связано с тем, что коэффициент преломления кремния nSi значительно превышает коэффициент преломления окисла кремния. Для красного и инфракрасного света (соответствует высвечиванию БіФЭУ, смотри рисунок 17) nSl приблизительно равен 3.2-3.5, поэтому угол полного внутреннего отражения света от поверхности раздела кремний-окисел кремния (показатель преломления окисла nSio2 =1.46) равен: а = arcsin( n ) = 24.65 п.2) Рисунок 17 - Спектр высвечивания SiФЭУ [83]

Соответственно при углах падения света больших, чем 24.65, свет, излученный в сработавшей ячейке, будет отражаться в сторону подложки. Таким образом, канавки защищают соседние ячейки от попадания в них прямого света (смотри рисунок 10, вариант «1»), остаются только фотоны, приходящихся на варианты «2» и «3». Здесь необходимо заметить, что глубина канавок должна быть достаточной для надежного перекрытия ОПЗ ячейки. С точки зрения оптической изоляции лучше, если вершина канавки будет входить внутрь ОПЗ и глубже. Тогда попадание «прямого» света из сработавшей ячейки в соседние над вершиной канавки будет полностью исключено. К сожалению, платой за хорошую изоляцию V-образными канавками является потеря в геометрической эффективности, и, как следствие, в полной эффективности регистрации света SiФЭУ. 1) Без подавления оптической связи. 2) Без дополнительного p-n-перехода, канавки 4 мкм. 3) С дополнительным p-n-переходом, канавки 4 мкм. 4) Без дополнительного p-n-перехода, канавки 8 мкм. 5) С дополнительным p-n-переходом, канавки 8 мкм. 6) Без дополнительного p-n-перехода, канавки 12 мкм. Рисунок 18 - Измеренная оптическая связь пары ячеек, находящихся на одинаковом расстоянии с различными вариантами защиты от оптической связи.

Однако при оставшихся возможными вариантах паразитной регистрации вторичных фотонов по типу «2» и «3», оптическая защита ячейки будет неполной. Для исключения механизма образования оптической связи по варианту «2», необходимо создание потенциального барьера между активной областью (ОПЗ) SiФЭУ и остальной частью подложки, обеспечивающей механическую прочность кристаллу SiФЭУ. Этот барьер должен предотвращать попадание свободных носителей из объема подложки в рабочий светочувствительный слой SiФЭУ. Одним из вариантов создания такого потенциального барьера является использование второго p-n-перехода (смотри рисунок 12) между подложкой и активным слоем SiФЭУ (патент Российской Федерации №2290721 «Кремниевый фотоэлектронный умножитель (варианты) и ячейка для кремниевого фотоэлектронного умножителя».

На рисунке 18 показаны экспериментальные результаты, полученные при исследовании тестовой партии SiФЭУ, изготовленной в НПК «Технологический Центр». Исследовалась оптическая связь пары ячеек размерами 100х100 мкм2 с расстоянием между ними 35 мкм. Ячейки имели разные варианты защиты от оптической связи. Контрольные образцы были изготовлены без защиты. Исследуемые образцы с канавками имели различную глубину канавок и изготавливались на подложке с разным типом проводимости. Видно, что второй p-n-переход является эффективным средством защиты, существенно понижающим оптическую связь по сравнению со структурой с той же самой глубиной канавок, но без перехода подложка-активный слой. Однако надо заметить, что для эффективного использования второго перехода прямой свет должен быть уже существенно подавлен посредством канавок. В противном случае использованием второго перехода не удается заметно уменьшить оптическую связь.

Оставшуюся (смотри рисунок 13) последнюю компоненту вторичного излучения, распространяющуюся по варианту «3» - отражение от подложки можно уменьшить за счет использования дополнительных светопоглощающих слоев, создаваемых в объеме и/или на обратной поверхности подложки. Это могут быть слои металлов, поликремния и диэлектриков. Для каждой длины волны данный слой и\или композит слоев следует выбирать индивидуально.

Таким образом, рассмотрены механизмы возникновения оптической связи в SiФЭУ. На основе анализа экспериментальных данных, полученных при измерении тестовых структур, состоящих из двух ячеек SiФЭУ с индивидуальным считыванием сигнала, определены методы подавления оптической связи соседних ячеек.

Способ создания высокоомного поликремниевого резистора с подгонкой проводимости ИИ B+

Из приведенных данных следует, что использование ионов фтора в качестве имплантируемой примеси является наиболее перспективной среди стандартно используемых в КМОП технологии P+ и B+, т.к. создает наибольшую плотность дефектов. Ионная имплантация фтора сравнима по данному параметру с ионами мышьяка.

Описание метода термооптического контроля состояния поверхности кремния. Схема физических процессов, на которых основана методика термооптического контроля состояния поверхности, может быть представлена с помощью схемы, показанной на рисунке 25. При возбуждении локальной области поверхности с помощью фокусированного лазерного луча в ней рождаются неравновесные носители заряда (электроны и дырки), которые отдают материалу энергию возбуждения в виде тепловой энергии за счет как термализации неравновесных носителей заряда до тепловых распределений, так и безызлучательной рекомбинации. Следует отметить, что в кремнии безызлучательный канал рекомбинации является основным. Выделившееся при этом избыточное тепло распространяется из области возбуждения. Условия рекомбинации и распространения тепловой волны связаны с наличием дефектов на поверхности и приповерхностной области кремниевой пластины. Выделение дополнительной тепловой энергии приводит к изменению коэффициента оптического отражения, что и фиксируется с помощью отраженного лазерного луча. Рисунок 25 - Принцип работы установки THERMA PROBE, компания «Thermawavelnc.» На этом принципе реализовано два типа установок, основанных на применении: - двух прецизионно ориентированных лазерных лучей: возбуждающего и считывающего (установка THERMA PROBE, компания «Thermawave Inc.») [34]; - гетеродинного принципа, также использующего два лазерных луча (установка TWIN SC2, компания «Tepla GmbH») [35]. Мы использовали установку TWIN SC2, в которой применяется гетеродинный принцип [36]. Материал возбуждается посредством двух лазерных пучков, интенсивность одного модулируется с частотой /31=2/1, а другого с частотой n2=2f2. Оба пучка фокусируются так, что они нагревают поверхность образца софокусно и коллинеарно. Эти частоты могут варьироваться синхронно между 100 кГ ц и 1,2 МГц с фиксированным частотным интервалом Д — f2 — 10кГц . Лазерная энергия, отраженная от образца Рг, усредненная по времени, позволяет определить отражательную способность образца. Характеристики лазерной энергии (амплитуда и фаза), модулируемой с частотойД — /2 = 10кГц , являются измеряемыми параметрами сигнала от исследуемого образца. Для этого, наравне с коэффициентом отражения R, вводится комплексный переводной коэффициент, равный К(П) = ( ш л (3.6) R(1—R)P2

Амплитуда термической волны, при возбуждении образца лучом гауссовой формы со средней оптической мощностью Р и полушириной ет, пропорциональна (1 — R)P/тп , поэтому К(П) нормируется. Рх , Ру — соответственно реальная и мнимая части отраженной лазерной энергии, которая модулируется с дифференциальной частотой 10 кГц. В дальнейшем будем использовать только амплитуду измеряемого сигнала, так как она сильнее реагирует на изменение состояния дефектных центров.

Во время измерения в объеме исследуемого образца возникают две волны; волна носителей заряда и термоволна. За счет абсорбции лазерной энергии появляются избыточные электронно-дырочные пары. Они термализуются к равновесному состоянию электронного газа в течение пикосекунд, освобождая при этом в кристаллической решетке избыточную энергию (v - Eg) — первую составляющую термической волны.

Неравновесные подвижные носители заряда, присутствующие внутри зоны (волна носителей заряда), диффундируют с амбиполярным коэффициентом диффузии D и рекомбинируют внутри или на поверхности материала. Эти процессы описываются временем жизни t избыточных носителей заряда и скоростью поверхностной рекомбинации s. Энергия, высвобождаемая в результате рекомбинации (Eg 1,11 эВ) для каждой электронной пары, рассеивается в качестве локально высвобожденного тепла (вторая составляющая термической волны).

Термооптический контроль проводили в следующих режимах. Пластину освещали в точке двумя лазерными лучами (полупроводниковые лазеры мощностью 8 мВт каждый с длиной волны Я= 785 нм). Постоянные лазерные лучи модулировались с частотами 1,0 и 1,01 МГц, а отраженный свет измеряли на разностной частоте 10 кГц. Длительность измерения в точке составляла 100 и 330 мс. Расчеты, проведенные специалистами фирмы— изготовителя установки, показали, что в диапазоне толщин 5,0— 15,0 нм диэлектрический слой SiO2 не вносит изменения в величину отраженного оптического сигнала. Проводили также так называемое времязависимое измерение в одной точке, т. е. многократное измерение с интервалом времени 60 с. Краткий технологический маршрут блока формирования геттерирующего слоя на обратной стороне пластин представлен в таблице 4.

Использование SiФЭУ в тайловом адронном калориметре в международ ном лине йном коллайдере

Для получения одной из наиболее важных характеристик – эффективности регистрации света, был использован стенд, где SiФЭУ находились на термостатирующей подложке при температуре +20 С. Величина перенапряжения задавалась 4.7 В после чего поочередно SiФЭУ облучались при помощи светоизлучающих диодов в импульсном режиме. Светодиоды имели различную длину волны. Проверка достоверности результатов выполнялась при помощи сравнения данных с калиброванным PIN-фотодиодом, у которого известна квантовая эффективность. Результаты полученной эффективности регистрации света в зависимости от длины волны показаны на рисунке 42. Рисунок 42 - Зависимость эффективности регистрации света SiФЭУ в зависимости от длины волны падающего излучения. Величина перенапряжения 4.7 В, геометрическая эффективность 80%, матрица размеров 1х1 мм, размер элементарной ячейки 100х100 мкм На указанном графике видно, что для падающего излучения спектрального диапазона 350-450 нм эффективность регистрации света превышает 50% и в отдельных случаях достигает 55%, что является рекордным в мировой практике для указанного типа приборов. Таким образом, были получены кремниевые фотоэлектронные умножители с оптимальным по эффективности спектральным диапазоном, отлично подходящими для экспериментов с использованием сцинтилляторов. Сцинтилляторы LSO и LYSO в мировой практике признаны как особо эффективные при облучении гамма-излучением, нейтронами, заряженными адронами, т.к. имеют высокие значения коэффициента высвечивания, спектры высвечивания указанных сцинтилляторов показаны на рисунке 43 [47]. Рисунок 43 - Спектры высвечивания сцинтилляторов LYSO и LSO[48]

Следует отметить, что полученный SiФЭУ c эффективностью регистрации света более 50% в спектральном диапазоне 350-450 нм отлично согласуется со сцинтилляторами LSO и LYSO, т.к. последние имеют пик высвечивания для гамма-излучения, нейтронов, заряженными адронов на длине волны 420 нм [48]. На рисунке 44 показан внешний вид и габаритные характеристики сцинтилляторов LYSO и LSO в сравнении с другими широко используемыми видами сцинтилляторов. LaCI3(Ce)

Внешний вид и габаритные характеристики сцинтилляторов LYSO и LSO в сравнении с другими широко используемыми видами сцинтилляторов [47] Следует отметить, что падение эффективности регистрации света для больших длин волн, как это видно из рисунка 42, связано со следующими факторами: 1. снижение квантовой эффективности активной области из-за неполного сбора свободных носителей, который образуются за пределами второго р-n- перехода структуры, 2. снижение гейгеровской эффективности дырок, которые запускают лавину, 3. снижение эффективности антиотражающего покрытия, Для меньших длин волн измерения не проводились. 4.1.2. Шум-фактор (ENF) Рассмотрим следующий важный параметр БіФЭУ - шум-фактор. Шум-фактор оказывает существенное влияние на амплитудные распределения, делая их более широкими по сравнению со статистическими флуктуациями регистрируемого светового сигнала Увеличение величины шум-фактора снижает одноэлектронное разрешение БіФЭУ и снижает точность определения числа падающих фотонов при математическом анализе получаемых спектров, таким образом, снижение данной величины является важной задачей. Его величина вычисляется по формуле а2 ENF = 1+- , (4) где А - среднее значение, - стандартное отклонение амплитудного распределения сигналов с БіФЭУ На рисунке 45. показаны зависимости шум-фактора ENF от величины перенапряжения для структур различной площади 1х1 мм и 3х3 мм, дизайн ячеек при этом одинаковый. Сборка в корпус произведена на эвтектику для снижения влияния паразитного отражения от обратной стороны кристалла паразитного излучения от гейгеровского разряда.