Введение к работе
Актуальность работы
Инструментальное обеспечение экспериментальной физики высоких энергий многие десятилетия основывалось на газовых позиционно чувствительных детекторах и трековых пузырьковых камерах. Создание нового типа ускорителей – коллайдеров и проведение экспериментов на встречных пучках с недостижимой ранее энергией частиц потребовало разработки новых детектирующих систем. При столь высоких энергиях (в единицы ГэВ) и плотностях пучков сталкивающихся частиц возникают одновременно тысячи вторичных частиц, траектории которых расположены на расстояниях в десятки микрон, а времена жизни отдельных из них не превышают долей наносекунды. Очевидно, что упомянутые выше газовые детекторы не удовлетворяют требованию пространственного разрешения и быстродействия, а пузырьковые камеры не способны зарегистрировать траектории всех частиц при столь высокой плотности. Поэтому уже в 80-х годах прошлого века начались работы по применению кремниевых детекторов в физике высоких энергий, показавшие их перспективность. Основное внимание было уделено позиционно чувствительным детекторам в виде матрицы отдельных p-n переходов. Этот путь привел к существенному прогрессу в пространственной разрешающей способности, повысив ее в десятки раз, а с применением кремниевой планарной технологии было достигнуто координатное разрешение в единицы микрон.
В тоже время, в рамках экспериментов на встречных пучках на Большом Адронном Коллайдере (БАК) в ЦЕРНе исследовалось полное сечение протон-протонного взаимодействия релятивистских протонов. Исследования в этой области позволяют получить константы для описания взаимодействия ускоренных частиц и в частности их дифракции. Для проведения таких измерений необходимо регистрировать частицы, рассеянные под предельно малыми углами по отношению к первичному протонному пучку. Эта задача оставалась до недавнего времени не доступной для экспериментального исследования. Требование регистрации частиц, рассеянных под предельно малыми углами приводит к ограничению, накладываемому на максимальное расстояние между протонным пучком и чувствительной областью детекторов, критическая величина которого составляет десятки мкм.
Ранее для этой цели использовались сцинтилляционные детекторы. В совокупности с новым уровнем требований, высокой эффективностью преобразования энергии частицы в электрический сигнал по сравнению с другими типами детектирующих структур и малыми габаритами использование полупроводниковых детекторов в такой задаче являются оптимальным. Кремниевый детектор, удовлетворяющий описанной задаче, должен обладать следующим набором характеристик: позиционное разрешение на уровне единиц мкм; скорость отклика на зарегистрированную частицу – единицы нс; рабочее напряжение в сотни вольт; стандартная для кремниевых детекторов чувствительность (соотношение сигнал/шум); чувствительную область распространяющуюся, как минимум, до одного края структуры (для регистрации частиц рассеянных под малыми углами).
Для получения указанных характеристик необходимо рассматривать следующие элементы детектирующих стриповых структур на основе высокоомного кремния как критические и определяющие оптимальный режим работы: межстриповую область и её изолирующие свойства; систему плавающих охранных кольцевых p+-n-переходов для периферийных областей матриц p-n переходов и распределение потенциалов на кольцевых p+-n-переходах; чувствительную торцевую область стриповых структур.
Цель работы:
Исследование физических процессов в матричных структурах на основе p-n переходов в их чувствительных, периферийных и торцевых областях с целью создания обобщённой модели их функционирования, использование которой позволяет создавать матричные сенсоры оптимальной конструкции.
Для достижения намеченной цели при выполнении диссертационной работы необходимо решить следующие задачи:
провести исследование межсегментной изоляции в матрицах p-n переходов на основе высокоомного кремния, которое определяет взаимовлияние соседних элементов позиционно-чувствительных приемников излучения, создать модель, объясняющую полученные результаты;
провести исследование распределения потенциала в охранных структурах (системе плавающих кольцевых p+-n-переходов), создать модель, объясняющую полученные результаты;
провести исследование распределения потенциала и ВАХ в торцевой области, создать модель, описывающую и объясняющую распределения потенциала, электрического поля и ВАХ в области торца p-i-n структуры.
Научная новизна:
1. Разработаны и созданы образцы сегментированных p-n переходов с большой длиной межсегментных промежутков, необходимые для исследования свойств межсегментного промежутка.
2. Показано, что ВАХ межсегментного промежутка зависит от напряжения, приложенного к p-i-n структуре, и зависит от величины объемного темнового тока, генерируемого в i- области.
3. Разработана модель межсегментного взаимодействия.
4. Определены закономерности распределения потенциала по системе колец с плавающим потенциалом - нарушение линейности деления потенциала под действием тангенциальной составляющей электрического поля под сегментами делителя потенциала. Выполнена экспериментальная проверка сделанного вывода на специально разработанных тестовых структурах с увеличенным количеством колец в диапазоне напряжений до 1000 В.
5. Разработана модель распределения потенциала по системе колец с плавающим потенциалом.
6. Показано, что возможна оптимизация топологии сегментирования колец, которая, с учетом нелинейности деления потенциала, позволяет стабилизировать ВАХ структуры.
7. Проведен анализ свойств торца p-i-n структуры как элемента, влияющего на вольтамперную характеристику структуры и на транспорт носителей в области торца.
8. Разработана качественная физическая модель, описывающая формирования потенциала на торце и модель, описывающая процессы в прилежащей к торцу области пространственного заряда p-i-n структуры.
Положения, выносимые на защиту:
1. Предложенная модель взаимовлияния соседних сегментов согласуется с экспериментальными вольт-амперными характеристиками межсегментного промежутка и объясняет зависимость величины межсегментной изоляции p-i-n структуры от распределения электрического поля в межсегментном промежутке (от которого зависит прямая инжекция дырок в промежуток, и эффект переключения объемного тока между соседними сегментами) [1].
2. Предложенная модель распределения потенциала в охранных структурах (система плавающих кольцевых p+-n-переходов) кремниевых детекторов согласуется с экспериментальными вольт-амперными характеристиками межкольцевых промежутков и объясняет эффект «задержки» распространения потенциала по системе плавающих кольцевых p+-n-переходов (что приводит к жесткой стабилизации потенциалов отдельных колец и позволяет осуществить требуемое деление потенциала независимо от удельного сопротивления полупроводникового материала) [2].
3. Предложенная токовая модель сильно разрушенного слоя на торце детектирующей структуры согласуется с экспериментально определенными распределениями потенциала и напряженности электрического поля на поверхности края структуры с торцевой чувствительностью и демонстрирует, что процесс истекания тока из области разрушенного p+-n-перехода торца ответственен за характерную омическую ВАХ внешнего кольца с большой величиной тока [3].
Теоретическая значимость работы
В результате выполненных исследований решена актуальная научная задача: создана токовая модель кремниевых p-i-n структур с торцевой чувствительностью, описывающая их работу.
Практическая ценность работы
Практическая ценность работы заключается в создании модели кремниевых детекторов излучений нового типа – детекторов с торцевой чувствительностью. Разработанные модели позволили создать конструкцию позиционно чувствительных микростриповых детекторов с торцевой чувствительностью (edgeless-детекторов) для эксперимента TOTEM на БАК в ЦЕРНе, которые затем были произведены в Научно-исследовательском институте материаловедения (НИИМВ г. Зеленоград) в количестве 400 приборов для детектирующих модулей БАК. Впервые для кремниевых планарных детекторов была получена ширина нечувствительной области детектора вблизи его торца на уровне 40 мкм, что с учетом их долговременной стабильности и технологичности для массового изготовления является качественно новым результатом.
Результаты проведенных исследований позволили провести модернизацию системы детектирования рентгенофлуоресцентного спектрометра, используемого для определения количественного состава материалов [4].
Диссертационная работа финансировалась международным грантом INTAS-GSI № 06-1000012-8844, грантом президента РФ НШ-3306.2010.2, программой фундаментальных исследований Президиума РАН «Экспериментальные и теоретические исследования фундаментальных взаимодействий, связанные с работами на ускорительном комплексе ЦЕРН» за 2009-2012 г.г., а, также, научной программой ЦЕРН-RD50.
Достоверность и обоснованность результатов и выводов исследования обеспечиваются: использованием современных экспериментальных методик, воспроизводимостью экспериментальных данных, сопоставлением результатов исследования с литературными данными, интерпретацией полученных результатов на основе современных модельных представлений физики конденсированного состояния.
Апробация работы
Результаты исследований опубликованы в 3 статьях в реферируемых жур-
налах и 2 докладах международных конференций, докладывались на 8 и 9 Международных конференциях «Position Sensitive Detectors» (2009, 2011, Англия).
Личное участие соискателя в получении результатов, изложенных в диссертации, заключается в обосновании целей исследования (совместно с соавторами), выборе объектов исследования, в получении основных экспериментальных данных, обобщении и анализе полученных результатов (совместно с соавторами). Содержание основных положений, выносимых на защиту, раскрыты в публикациях автора [1-5] (из них 3 публикации в реферируемых журналах).
Структура и объем диссертации
