Физико-технологические основы создания кремниевого фотоэлектронного умножителя высокой эффективности с малой оптической связью тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.06, кандидат наук Жуков, Андрей Александрович

• Жуков, Андрей Александрович
• кандидат наук
• 2016

Оглавление диссертации кандидат наук Жуков, Андрей Александрович

СОДЕРЖАНИЕ

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность

Объект исследования

Предмет исследования

Цель диссертационной работы

Задачи

Научная новизна

Практическая значимость

Основные положения, выносимые на защиту

Апробация работы

Достоверность и обоснованность научных положений

Личный вклад

Публикации

Патенты

Структура и объем диссертации

ГЛАВА 1

Современные типы детекторов света малой интенсивности излучения, их конструктивно-технологические особенности и области применения

1.1. Электровакуумные приборы

1.2. Детекторы на основе полупроводников

1.2.1. Диоды на основе полупроводников с областью собственной проводимости

1.2.2. Диоды, обеспечивающие внутреннее усиление

посредством эффекта лавинного умножения

1.2.3. Фотодиоды с использованием режима Гейгера

1.2.4. Кремниевые фотоэлектронные умножители

1.2.5. Сравнение Б1ФЭУ с другими типами детекторов

Выводы к главе 1

ГЛАВА 2

Разработка технологических методов подавления оптической связи

2.1. Сравнительное исследование и методы подавления взаимного влияния ячеек Б1ФЭУ друг на друга с целью оптимизации параметров прибора

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

Выводы к главе 2

ГЛАВА 3

Технологический базис для изготовления Б1ФЭУ

3.1 Техпроцесс формирования глубокозалегающего дополнительного р-п-перехода

3.2 Техпроцесс создания поглощающего слоя на обратной стороне

3.3 Техпроцесс разделения ячеек между собой У-образными канавками, получаемыми на финишных этапах технологического маршрута при помощи высокоселективного травления в ЭДП

3.4 Способ создания высокоомного поликремниевого резистора с подгонкой проводимости ИИ В+

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

3.6 Техпроцесс формирования просветляющего двуслойного покрытия для формирования максимальной чувствительности детектора на длине

волны 420 нм

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

Выводы к главе 3

ГЛАВА 4

Анализ параметров изготовленных Б1ФЭУ с учетом проявления методов подавления взаимосвязи между элементами

4.1 Описание и технические характеристики изготовленных Б1ФЭУ

4.1.1. Эффективность регистрации света в режиме счета

4.1.2. Шум-фактор (ENF)

4.1.3. Коэффициент усиления

4.1.4. Оптическая связь

4.2. Исследования Б1ФЭУ в мировых физических экспериментах

4.2.1. Использование Б1ФЭУ в тайловом адронном калориметре в международном линейном коллайдере

4.3.1. Использование Б1ФЭУ в эксперименте MAGIC (Major Atmospheric Gamma Imaging Cerenkov Telescope)

4.3. Анализ результатов

Выводы к главе 4

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ЛИТЕРАТУРА

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

ФЭУ - вакуумный фотоэлектронный умножитель;

ЛФД - Лавинный фотодиод;

МЛК - Международный линейный коллайдер;

ILC - International linear collaider (Международный линейный коллайдер);

MAGIC - Major Atmospheric Gamma Imaging Cerenkov-Telescope (система из двух наземных черенковских телескопов);

КТ - компьютерная томография;

ПЭТ - позитронно-эмиссионная томография ;

МРТ - магнитно-резонансная томография;

SiФЭУ - кремниевый фотоэлектронный умножитель;

КМОП - комплементарная структура металл-оксид-полупроводник;

ЭКБ - электронная компонентная база;

FEOL - front-end-of-line (транзисторная часть технологического маршрута, без металлизации);

ЭДП - этилендиамин - пирокатехин;

ИИ - ионная имплантация;

SiPM - Silicon photomultiplier (кремниевый фотоэлектронный умножитель);

CERN (ЦЕРН) - Европейская организация по ядерным исследованиям; DESY - Немецкий Электронный Синхротрон;

FNAL - Национальная ускорительная лаборатория им. Энрико Ферми (более распространено сокращённое наименование Фермилаб);

ОПЗ - область пространственного заряда;

МРП - структура металл-резистивный слой-полупроводник;

SPAD - Single Photon Avalanche Diode (лавинный гейгеровский фотодиод для регистрации одиночных фотонов);

TMAH - tetramethylammonium hydroxide (гидроксид тетраметиламмония);

ТЭОС - тетраэтоксисилан;

ПХТ - плазмо-химическое травление;

ЖХТ - жидкостное химическое травление;

LOR - Lift-off resist (резист для взрывной литографии);

CVD - Chemical vapor deposition (химическое осаждение из газовой фазы).

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Физико-технологические основы создания кремниевого фотоэлектронного умножителя высокой эффективности с малой оптической связью»

ВВЕДЕНИЕ

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) [1]. 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 [2], 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 10 . Однако его нестабильность, обусловленная природой процесса размножения носителей, приводит к возникновению дополнительного шума, не позволяющего регистрировать одиночные фотоны при комнатной температуре [3]. Лавинные фотодиоды, работающие в гейгеровском режиме, дают возможность регистрировать одиночные фотоны, но не позволяют получать информацию об интенсивности светового сигнала.

Учитывая существующие недостатки ЛФД, 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 [4], 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 - Б1ФЭУ.

Актуальность

В настоящее время все больше институтов и коммерческих компаний в различных странах мира начинают разрабатывать аналоги Б1ФЭУ, показывая для некоторых параметров рекордных значений. Лучшими результатами по эффективности регистрации синего света на текущий момент являются детекторы японской фирмы Hamamatsu Photonics, имеющие эффективность равную 40-50% при относительно высокой величине оптической связи 3040% [5]. Лучший результат по величине оптической связи показала компания ST-Microelectronics, детекторы имеют оптическую связь 1-2%, но при этом относительно низкая эффективность регистрации света 16% [6].

В настоящее время в ряде крупных физических экспериментов требуются детекторы синего и ультрафиолетового диапазона 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 диапазоне света и с последующей регистрацией данного излучения при помощи Б1ФЭУ [7]. Требуемая максимальная чувствительность Б1ФЭУ должна быть 420 нм, что соответствует спектру высвечивания пластикового сцинтиллятора. Детектор Б1ФЭУ, обладающий наилучшими характеристиками на указанной длине волны позволит существенно упростить конструкцию калориметра, благодаря прямому детектированию света без необходимости применения специальных волокон для смещения спектра.

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 Cerenkov-Telescope). В качестве детекторов оптического излучения в нем используются вакуумные ФЭУ, которые обладают квантовой эффективностью порядка 34% [8], вероятно, что замена вакуумных ФЭУ на полупроводниковые SiФЭУ с увеличенной эффективностью регистрации света в диапазоне длин волн 300-600 нм позволит понизить порог по энергии.

В медицине широкое применение получили аппараты для проведения рентгеновской компьютерной томографии (КТ) и позитронно-эмиссионной

томографии (ПЭТ), которые позволяют диагностировать заболевания на ранних стадиях и исследовать внутренние среды человеческого организма. В совокупности с магнитной резонансной томографией (МРТ) данные методы получили широкое распространение и постоянно улучшаются. Одним из недостатков КТ и ПЭТ являются получение пациентом существенной дозы облучения от 2 до 15 мЗв, что накладывает ограничение на частоту использования столь информативного инструмента. Таким образом, увеличение эффективности регистрации излучения должно позволить снизить радиационную нагрузку на пациентов, тем самым позволив существенно повысив безопасную частоту использования КТ в медицине.

Основной сложностью для дальнейшего улучшения технических характеристик кремниевых фотоэлектронных умножителей на текущем этапе развития является величина оптической связи ячеек внутри матрицы. Данный параметр напрямую влияет на коэффициент усиления, шум-фактор, лимитирует величину перенапряжения, тем самым ограничивая увеличения эффективности регистрации света.

Объект исследования

Матричный фотоэлектронный умножитель, созданный на основе кремниевых лавинных фотодиодов, работающих в гейгеровском режиме.

Предмет исследования

Предметом исследования является совокупность конструктивно-технологических решений для создания кремниевых фотоэлектронных умножителей с высокой эффективностью регистрации синего и ультрафиолетового света и малой оптической связью.

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

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 Б1ФЭУ.

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

4. Создать и исследовать экспериментальные образцы кристаллов Б1ФЭУ. Провести оптимизацию основных параметров технологических процессов изготовления высокоэффективных Б1ФЭУ.

Научная новизна

1. 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.

2. Предложен комплекс конструктивно-технологических мер, позволяющий создавать высокоэффективные 81ФЭУ 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 у-образных канавок между ячейками матрицы, покрытых диоксидом кремния, обеспечивает оптическую изоляцию ячеек 81ФЭУ от вторичного излучения за счет эффекта полного отражения на границе раздела 81\8Ю2, таким образом, препятствует паразитному срабатыванию соседних ячеек.

3. Предложена математическая модель и методика расчета, основанные на частном решении формул Френеля для системы 81\8Ю2\813К4 в диапазоне длин волн 350-450 нм, позволяющие определить оптимальные параметры просветляющего композитного диэлектрика для повышения чувствительности ячеек 81ФЭУ.

Практическая значимость

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

2. Изготовленные кристаллы SiФЭУ использовались для создания модуля, содержащего охлаждаемую матрицу для эксперимента MAGIC.

3. 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 SiФЭУ с рекордными показателями эффективности регистрации света синего и ультрафиолетового спектра более 50%, взаимосвязи между ячейками 36%, шум-фактора - 1.03.

4. Созданный прототип тайлового адронного калориметра на основе изготовленных SiФЭУ для Международного линейного коллайдера показал рекордную гранулярность, что позволило впервые в мире исследовать в деталях развитие адронных ливней (энергетическое

45% ,

разрешение для адронов составило ).

Основные положения, выносимые на защиту

1. Комплекс конструктивно-технологических мер позволяет создавать высокоэффективные Б1ФЭУ с низким уровнем оптической связи:

- создание p-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\SiO2\Si3N4 в диапазоне длин волн 350-450 нм ячеек SiФЭУ.

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 SiФЭУ и смежных технологий (Industry-academia matching event on SiPM and related technologies, Швейцария, CERN 2011).

4. Полученные приборы на основе SiФЭУ 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 тайлового адронного калориметра на основе SiФЭУ для международного линейного коллайдера (CERN). Изготовленные SiФЭУ были опробованы и использованы для эксперимента MAGIC (Major Atmospheric Gamma Imaging Cerenkov-Telescope).

Достоверность и обоснованность научных положений

диссертационной работы подтверждаются практическим использованием созданных детекторов в независимых компаниях. Сравнением полученных результатов измерений настоящей работы с результатами измерений аналогов, опубликованных в литературе сопоставимыми данными других авторов. Использованием для измерений современной высокоточной электроники и программного обеспечения. Публикацией результатов в печати и представлением на научных конференциях и семинарах.

Применением надежных методов исследования, соответствующих требованиям мировых стандартов. Получение патентов на изобретение.

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 Б1ФЭУ, принимал участие в измерении электрических и технологических параметров образцов Б1ФЭУ.

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.

Патенты

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

Патент Яи 2586400 С1, Российская Федерация, № заявки 2015116035/28 от 28.04.2015.

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.

ГЛАВА 1

Современные типы детекторов света малой интенсивности излучения, их конструктивно-технологические особенности и области применения.

Для проведения классификации уже разработанных и используемых в мировой практике детекторов света следует рассмотреть их основные типы, обозначить достоинства и недостатки, определить область применения.

1.1. Электровакуумные приборы

Данный вид детекторов слабых световых излучений был разработан Л.А. Кубецким в 1930—1934 гг. Конструкция прибора включала в себя вакуумный стеклянный корпус, внутри которого располагались фотокатод и набор электродов под названием диноды, на которых происходило увеличение первичного фототока за счет вторичной эмиссии электронов. В будущем такой вид детектора получил название фотоэлектронного умножителя (ФЭУ), внешний вид показан на рисунке 1.

Рисунок 1 - Вид вакуумного фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) [9]

Фотон, выбивая электроны из фотокатода, запускает процесс вторичной эмиссии за счет ударной ионизации на каждом последующем диноде, что приводит к существенно увеличению тока анода, как показано на рисунке 2.

Рисунок 2 - Принципиальная схема устройства вакуумного ФЭУ [10]

Коэффициент усиления ФЭУ М выражается отношением тока анода 1а к фототоку катода 1к:

м =

1а 1к

(1.1)

Также коэффициент усиления ФЭУ можно выразить через коэффициенты вторичной эмиссии динодов:

п

м = П8

г = 1

(1.2)

Где 8 - коэффициент вторичной эмиссии 1-го динода, а п - количество динодов в ФЭУ. Коэффициент усиления фотоэлектронных умножителей может

5 7

достигать величины 10 - 10 , которой достаточно для регистрации единичных фотонов.

Величина коэффициента усиления обладает существенным разбросом по причине случайности процесса вторичной эмиссии. Также на разброс коэффициента усиления влияют процессы, связанными с оптической и ионными обратными связями. Таким образом, для характеристики величины усиления часто используют такую величину, как шум-фактор БКБ:

БШ ■

< М2 >

< М >2

(1.3),

2 2 Где <М> - квадрат среднего коэффициента усиления ФЭУ, <М > -среднее

квадрата коэффициента усиления ФЭУ.

Дисперсию коэффициента усиления можно определить по среднеквадратическому отклонению, которое выражается по формуле:

а

= -\/< М2 >-< М >

(1.4)

Таким образом, шум-фактор можно записать так:

еШ = 1+-

а

< м >2

(1.5)

где величины о и <M> могут быть найдены из распределения одиночных фотоэлектронов, выбитых из фотокатода и могут быть найдены из одноэлектронного спектра [11]. Пример спектра показан на рисунке 3.

Рисунок 3 - Типичный вид одноэлектронного спектра [12]

2

Второй способ экспериментального измерения шум-фактора основан на определении токов фотокатода ^ и анода ^ В этом случае ENF равен:

ENF--

о

ВЫХ

о

(1-6),

ВХ

где овх - стандартное отклонение сигнала до усиления, овых отклонение сигнала после усиления.

стандартное

Для общего представления об интегральных характеристиках очень наглядной является спектральные характеристики для различных типов фотокатодов с указанием величины усиления сигнала и эффективности для различных длин волн, смотри рисунок 4.

100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100

Рисунок 4 - Кривые спектральных чувствительностей для различных типов

фотокатодов [12]

2

Указанный тип детектора используется в ряде физических экспериментов, например, в калориметрах, детекторах, регистрирующих кольца от черенковского излучения (RICH-детекторы, Ring Image Cherenkov detectors), детекторах внутреннего отраженного черенковского излучения и

т.д. Тем не менее, у ФЭУ имеется существенный недостаток - сложность или невозможность работать в сильных магнитных полях, что ограничивает возможность его использования в ряде планируемых экспериментов. В качестве альтернативной замены для использования в таких условиях могут быть применены твердотельные детекторы, например полупроводниковые.

1.2. Детекторы на основе полупроводников

Детекторы излучений на основе полупроводников достаточно широко представлены для различных применений, рассмотрим основные типы. Для удобства можно предварительно разделить их на две группы:

1. Фотодетекторы без внутреннего усиления заряда;

2. Фотодетекторы с внутренним усилением заряда.

К первой группе относятся рт-фотодиоды [13].

1.2.1. Диоды на основе полупроводников с областью собственной проводимости

Рт-диод - это разновидность диода, в котором между областями р (дырочная проводимость) и п (электронная проводимость) находится нелегированный слой { (собственная проводимость). Обычно р и п области имеют высокую степень легирования для возможности последующего формирования омического контакта к металлу, смотри рисунок 5.

Широкая нелегированная i-область позволяет использовать pin-диод в аттенюаторах, быстрых переключателях, фотодетекторах и высоковольтной электронике. Pin-диоды благодаря своей надежности, компактности и низкой стоимости, в настоящее время применяются в различных физических экспериментах, например, CLEO[14], L3[15], BELLE[16], BABAR[17], GLAST[18]. Pin-диод может работать в качестве фотодетектора при обратном смещении. В таком режиме он закрыт, не пропуская ток (за исключением небольшого тока утечки). Внешний фотон попадает в i-область и порождает образование электронно-дырочных пар. Носители заряда, которые попадают в электрическое поле ОПЗ, начинают двигаться к p+ и n+

Рисунок 5 - Иллюстрация схемы и принципа работы Pin-диода [19]

областям, создавая электрический ток. Данный ток может быть детектирован внешней цепью. Проводимость диода зависит от длины волны света, его интенсивности и частоты модуляции.

Величина прикладываемого обратного напряжения может достигать больших значений, создавая при этом большое поле, которое вытягивает носители из ОПЗ i-области с большей интенсивностью.

В качестве фотодетектора Pin-диод подключают в обратном смещении. При этом он закрыт и не пропускает ток, не считая тока утечки. Фотон, попадающий в i-область, генерирует электрон-дырочную пару, после чего носители заряда, попадая в электрическое поле ОПЗ, двигаются к n+ и p+ областям, создавая электрический ток, который может быть измерен внешней цепью. Фототок pin-фотодиода зависит от длины волны, интенсивности падающего излучения. Величина обратного смещения напряжения может достигать больших величин, при этом большее напряжение создает большее поле, которое с большей скоростью вытягивает носители из ОПЗ i-области.

Квантовая эффективность pin-фотодиодов может достигать 90%, однако при регистрации света длительностью менее 1 мкс появляется необходимость использования внешнего усилителя, что не дает возможности зарегистрировать вспышку света с количеством фотонов < 1000, т.к. начинают влиять шумы самого усилителя. Кроме того, pin-диоды оказываются чувствительны к различным видам излучения одновременно, таким как гамма-кванты, заряженные частицы.

Ко второй группе детекторов, как правило, относятся те, у которых усиление заряда происходит за счет процесса ударной ионизации в сильных электрических полях. Одним из таких фотоприемников является лавинный фотодиод.

1.2.2. Диоды, обеспечивающие внутреннее усиление посредством эффекта лавинного умножения

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 р - п 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 10 . 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 р-п 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.

:лом окна

Рисунок 6 - Иллюстрация схемы и принципа работы лавинного фотодиода

[20]

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--)

M

(1. 7)

где k - 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.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Жуков, Андрей Александрович, 2016 год

ЛИТЕРАТУРА

1. Жигарев А. А., Шамаева Г. Т. // Электронно-лучевые и фотоэлектронные приборы: Учебник для вузов. — М.: Высшая школа, 1982. — 463 с., ил.

2. Бузанова Л. К. и Глиберман А. Я // Полупроводниковые фотоприемники М., «Энергия», 1976. - Массовая радио библиотека. Вып. 902. - 64 с.

3. Тришенков М. А. Фотоприемные устройства и ПЗС // Обнаружение слабых оптических сигналов. М: «Радио и связь», 1992

4. Гасанов А.Г. Влияние Локальных неоднородностей в полупроводниковой подложке на характеристики лавинных фотоприемников. / Гасанов А.Г., Головин В.М., Садыгов З.Я. и [др.] -Письма в ЖТФ. Т.16. Вып. 1, 1990. С.17.

5. Hamamatsu. MMPC (multi-pixel photon counter) URL: https://www.hamamatsu.com/resources/pdf/ssd/mppc_techinfo_e.pdf

6. S. Tudisco, S. The new generation of SPAD—Single-Photon Avalanche Diodes arrays / S. Tudisco, S. Privitera, L. Lanzano and [other] // DOI 10.1393 2008-10, 266-8, april 2008.

7. Jianming Chen. Gamma-Ray Induced Radiation Damage in Large Size LSO and LYSO Crystal Samples / Jianming Chen, Rihua Mao, Liyuan Zhang and [other] // IEEE TRANSACTIONS ON NUCLEAR SCIENCE, VOL. 54, NO. 4, AUGUST 2007.

8. Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov Telescopes, URL: https://en.wikipedia.org/wiki/MAGIC_(telescope).

9. Hofstra, RCA 6810A Photomultiplier Tube 2" 14-Stage S-11, URL: https://www.hofstragroup.com/product/rca-6810a-photomultiplier-tube-2-14-stage-s-11.

10.Фотоэлектронный умножитель, конструкция, параметры, принцип действия, URL: Ь11р8://га^1к1реё1а.о^/,шк1/Фотоэлектронньш_умножитель.

11.E. Frlez. Design, Commissioning and Performance of the PIBETA Detector at PSI., Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A 526, 300-347 (2004)

12.S-O Flyckt, Carole Marmonier. PHOTOMULTIPLIER TUBES principles & applications. September 2002, Photonis, Brive, France.

13.Р.Фриман. Волоконно-оптические системы связи. М.: «Мир связи» 2003

14.E. Blucher. Tests of cesium iodide crystals for an electromagnetic calorimeter, Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A249 (1986), 201

15.Adeva. Construction of the L3 experiment. / Nucl. Instr. Meth. Phys. Res., A289 (1990) 35,

16.M.T.Cheng. A study of CP violation in B-meson decays. Technical Design Report, BELLE collaboration, KEK report 95-1, April 1995

17. B.Aubert. The BABAR detector. Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A479:1-116,2002.

18. W. Neil Johnson. LAT Calorimeter Subsystem Preliminary Design Report. GLAST LAT TECHNICAL REPORT Subsystem. Document # LAT-TD-00242-D6. 16 July 2001

19.http ://mybiblioteka. su/tom2/1-50897.html

20.http ://mybiblioteka. su/tom2/1-50898.html

21.McIntyre, R.J. Multiplication noise in uniform avalanche diodes. IEEE transaction on electron devices 1966, 13, 164-168

22.В.Л.Кашеваров. Кремниевые детекторы с внутренним усилением. / В. Л.Кашеваров, Л.Н.Павлюченко, Г.А.Сокол. // Proceedings of the 2nd Workshop on JINR Tau-Charm Factory, 27-29 April 1993, JINR, Dubna

23.R.G.W.Brown. Characterization of silicon avalanche photodiodes for photon correlation measurements. / R.G.W.Brown, K.D.Ridley and J.G.Rarity // 1: passive quenching. Applied Optics, vol.25, N22, 1986, 4122-4126

24.R.G.W.Brown. Characterization of silicon avalanche photodiodes for photon correlation measurements. / R.G.W.Brown, R.Jones, J.G.Rarity and K.D.Ridley // 2: active quenching. Applied Optics, vol.26, N12, 1987, 23832389

25. CNR IMM. Single Photon Avalance Diode (SPAD) / Istituto per la Microelettronica e i Microsistemi - Bologna URL: https://www.bo.imm.cnr.it/site/node/181.

26.Simona Privitera. Single Photon Avalanche Diodes: Towards the Large Bidimensional Arrays / Simona Privitera , Salvatore Tudisco , Luca Lanzano et al. // Sensors 2008, 4636-4655; DOI: 10.3390/s8084636

27.Е.В.Попова. Твердотельный электронный умножитель многоцелевого назначения на основе гейгеровских микроячеек. / Е.В.Попова, П.Ж.Бужан, Е.А.Георгиевская и [др.] // Прикладная физика 2003 т.2 с.123-127.

28.E. Popova. The cross-talk problem in SiPMs and their use as light sensors for imaging atmospheric Cherenkov telescopes / E. Popova, P. Buzhan, B. Dolgoshein et al. // Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A610(2009) 131-134

29.B. Dolgoshein. Large area silicon photomultipliers: Performance and applications. / B. Dolgoshein, E. Popova, P. Buzhan, et al.// Nucl. Instr. Meth. Phys. Res A567, Issue 1, 1 November 2006, Pages 78-82.

30.Adam Nepomuk Otte. Observation of VHE gamma-Rays from the Vicinity of magnetized Neutron Stars and Development of new Photon-Detectors for Future Ground based gamma-Ray Detectors. / Ph.D thesis. Technische Universitaet Muenchen. Max-Planck-Institut fur Physik (WernerHeisenberg-Institut) 2007

31.S.M.Sze // Semiconductor Devices, Physics and Technology / 2nd edition. John Wiley&sons, Inc, 2002

32.Риссел Х., Руге И. // Ионная имплантация. - М.: c. 23-30, Наука, 1983. -360 с..

33.Герасименко Н. Н. О пороговой энергии образования радиационных дефектов в кремнии, облученном электронами. / Герасименко Н. Н., Двуреченский А. В., Панов В.И. и [др.] // «Физ. и техн. полупров.», 1971, т.5, вып.8, с.1644-1646; там же, 1972, т.6, вып. 5, с.991.Список литературы:

34.Smith W. 11 Solid State Technol. / Smith W. L., Rosencwaig A., Willenborg D.// 1986. January. P. 85.

35. Kapplinger S. J. Phys. IV. / Kapplinger S., Buchmann F., Geiler H. D.// 1994. V. 4. P. 145.

36.Buchmann F., Geiler H. D. / / Nuclear Instrum, and Meth. 1995. V. 96. P. 113.

37. R. Della Marina. Control ofhigh-valued polysilicon resistors by hydrogenation techniques / R. Della Marina, M. Federico S. Tritto, P. Weiss // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 461 (2001) 121125

38. Liang Guo. An Effective Lift-Off Method for Patterning High-Density Gold Interconnects on an Elastomeric Substrate/ Liang Guo, Prof. Stephen P. DeWeerth // NIHPA Author Manuscripts PMC3272486 Dec 20, 2010; 6(24): 2847-2852.

39. Robert Andok. The AZ 5214E resist in EBDW Lithography and uts use as a RIE etch mask in etching thin AG layers in N2 plasma / Robert Andok, Anna Bencurova, Pavol Hrkut et al. // Journal of ELECTRICAL ENGINEERING, VOL. 64, NO. 6, 2013, 371-375.

40.Ali Attaran, Sazzadur Chowdhury // Fabrication of a 77 GHz Rotman Lens on a High Resistivity Silicon Wafer Using Lift-Off Process / International

Journal of Antennas and Propagation, volume 2014, Article ID 471935, 9 pages.

41. У.Моро //Микролитография / Москва, «МИР», 1990 г.,стр. 754-783.

42.Крылова Т.Н. // Интерференционные покрытия. - Л.: Машиностроение, 1973 - 224 с.

43.Refractive index DATABASE. URL: http://refractiveindex.info/?shelf=main&book=SiO2&page=Malitson.

44.Filmetronics Refractive index DATABASE. URL: http://www.filmetrics.com/refractive-index-database/Si3N4/Silicon-Nitride-SiN-SiON.

45.PV education, Optical Properties of Silicon, URL: http://www.pveducation.org/pvcdrom/materials/optical-properties-of-silicon.

46.Arthur Barlow. Excelitas Products and Developments. Industry-academia matching event on SiPM and related technologies. / Arthur Barlow, Juergen Schilz, Henri Dautet et al. // CERN 16-17 февраля 2011.

47.Rihua Mao. LSO/LYSO Crystals for Future HEP Experiments/ XIV International Conference on Calorimetry in High Energy Physics (CALOR 2010), 2011 J. Phys.: Conf. Ser. 293 01200.

48.Rihua Mao. Emission Spectra of LSO and LYSO Crystals Excited by UV Light, X-Ray and gamma-ray/ Rihua Mao, Member, IEEE, Liyuan Zhang et al. // IEEE TRANSACTIONS ON NUCLEAR SCIENCE, VOL. 55, NO. 3, JUNE 2008 1759-1766.

49.F.Sefkow. Performance goals and design considerations for a linear collider calorimeter, LC-DET-2004-022; prepared for 11th International Conference on Calorimetry in High-Energy Physics, Perugia, Italy, 28 March - 2 April 2004.

50.E. Popova, B. Dolgoshein, et al. Construction and commissioning of the CALICE analog hadron calorimeter prototype / JINST 5 (2010)P05004.

51.F.Sefkow. The Scintillator HCAL Testbeam Prototype. 2005 International Linear Collider Workshop - Stanford, U.S.A. LC-DET-2005-013

52.B. Dolgoshein. SiPM Collaboration. Status report on silicon photomultiplier development and its applications. / B. Dolgoshein, E. Popova, V. Rusinov et al. // Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A563 (2006), pp. 368-376.

53. T. Buanes. The CALICE hadron scintillator tile calorimeter prototype. / T. Buanes, M. Danilov, G. Eigen et al. // Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A623, Issue 1, 1 November 2010, Pages 342-344, 1st International Conference on Technology and Instrumentation in Particle Physics.

54.Erika Garutti. Engineering prototype of the CALICE analog hadron calorimeter. XIV International Conference on Calorimetry in High Energy Physics (CALOR 2010) IOP Publishing. Journal of Physics: Conference Series 293 (2011) 012072 doi:10.1088/1742-6596/293/1/012072

55.Felix Sefkow. MGPDs for calorimeter and muon systems: requirements and first experience in the CALICE test beam. Proceedings of International Workshop on new Photon-Detectors. June 27-29 2007. Cobe, Japan.

56.M.Danilov. Scintillator Tile Hadron Calorimeter with Novel SiPM Readout. Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A581, Issues 1-2, 21 October 2007, Pages 451456

57.А.Е. Чудаков. Поиск фотонов высокой энергии от локальных источников космического радиоизлучения / А.Е. Чудаков, В.Л. Дадыкин, В.И. Зацепин и [др.] // Труды ФИАН. - 1963.- Т. 26.- С. 118 -141.

58.G.G. Fazio. A search for discrete sources of cosmic gammarays of energies near 21012 eV / G.G. Fazio, H.F. Helmken, G.H. Rieke et al. // Astrophysical Journal. - 1968.- Vol. 154.- P. L83 - L89.

59.D.J. Fegan. A fast optical Cerenkov system for directional studies of possible gammaray sources / D.J. Fegan, B. McBreen, E.P. O'Mongain, [et al.] // Canadian Journal of Physics. - 1968.- Vol. 46.- P. S433 - S436.

60.H.A. Андреева. Результаты наблюдений потока гаммаквантов от галактики Mk 501 / Н.А. Андреева, Ю.Л. Зыскин, О.Р. Калекин [и др.] // Письма в Астрономический журнал. - 2000.- Т. 26. № 4. - С. 243 - 248.

61.Нешпор, Ю.И. Результаты наблюдений Cyg 2, BL Lac, 3C 66A, Mk 501 и Крабовидной туманности на гаммателескопе ГТ48 в 2006 году / Ю.И. Нешпор, А.В. Жовтан, Н.А. Жоголев [и др.] // Изв. КрАО. - 2008.- Т. 104.- С. 191 - 196.

62.M. Catanese. Multiwavelength observations of a flare from Markarian 501 / M. Catanese, S.M. Bradbury, A.C. Breslin [et al.] // Astrophysical Journal. -1997.- Vol. 487.- P. L143 - L146.

63.Mirzoyan, R. 17m diameter MAGIC telescope project for sub100 GeV gamma ray astronomy / Научно-технические ведомости СПбГПУ. Физико-математические науки 4' 2011 86 R. Mirzoyan // Nuclear Physics. B. Proc. Suppl. - 1997.- Vol. 54.- P. 350 - 361.

64.Aharonian, F.A. H.E.S.S. - the high energy stereoscopic system / F.A. Aharonian, H.E.S.S. Collaboration // Bulletin of the American Astronomical Society. - 2000.- Vol. 32- P. 1261.

65. Weekes, T.C. VERITAS: Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System / T.C. Weekes, C. Akerlof, S. Biller [et al.] // Proc. of the 25th Internat. Cosmic Ray Conf.; eds. M.S. Potgieter, C. Raubenheimer, and D. J. van der Walt. - 1997.- Vol. 5.- P. 173 - 176.

66. Mori, M. The CANGAROOIII project / M. Mori, S.A. Dazeley, P.G. Edwards [et al.] // GeVTeV Gamma Ray Astrophysics Workshop, AIP Conf. Proc. - 2000.- Vol. 515.- P. 485 - 491.

67.Cern Courier. Magic becomes twice good. Apr 1, 2009. URL: http ://cerncourier.com/cws/article/cern/38283.

68.Namibia : Inauguration of the H.E.S.S. II Telescope, URL: http://www.southern-africa.crns.ird.fr/all-news/news-in-southern-

africa/ namibia-inauguration-of-the-h.e .s.s.-ii-telescope.

69.ABS Science. Woomera telescope blinded by the light. URL: http://www.abc.net.au/science/articles/2000/06/20/141682.htm.

70.Chad Boutin. Purdue scientists help construct telescope for black holes, pulsars. Purdue News. April 7, 2004

71. Г.И. Васильев. Особенности пространственного распределения черенковских фотонов в стволе широкого атмосферного ливня, вызванного гамма-квантом с энергией 5 гЭв. / Г.И. Васильев, Е.Е. Холупенко, Д.А. Байко и [др.] // Научно-технические ведомости СПбГПУ. Физико-математические науки, Выпуск 4(134 )/2011, С 79-86.

72. Эффект Черенкова - Вавилова, фотографии свечения в реакторах. URL: http://vasi.net/community/kartinki/2010/07/09/jeffekt_vavilovacherenkova.h tml.

73.Hillas A.M. Cerenkov light images of EAS produced by primary gamma rays and by nuclei. Proc. of the 19th ICRC, La Jolla, 1985, v. 3, p. 445.

74. Major Atmospheric Gamma-ray Imaging Cherenkov Telescope, description. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/MAGIC_(телескоп).

75. Alexandra von Ascheraden. Galactic particle accelerator located. / Astrophysics, 2009.

76.R. Orito. Development of HPD Clusters for MAGIC-II. / R. Orito, E. Bernardini, et. al. // proceedings of the 31st ICRC, Lodz 2009.

77. T.Saito. Study of the High Energy Gamma-ray Emission from the Crab Pulsar with the MAGIC telescope and Fermi-LAT. Ph.D. Thesis. Ludwig-Maximilian-Universitaet. Muenchen 2010.

78.Popova E. Prospects of using silicon photomultipliers for the astroparticle physics experiments EUSO and MAGIC. / Popova E., Otte A. N., Dolgoshein B. et al. //IEEE Transactions on Nuclear Science (IEEE Trans. Nucl. Sci.). 2006, v. 53, issue 2, pp. 636-640.

79.E. Popova. SiPM and ADD as advanced detectors for astro-particle physics. / E. Popova, R. Mirzoyan, B. Dolgoshein et al. //Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A572 (2007) 493-494.

80.N. Ottea. The Potential of SiPM as Photon Detector in Astroparticle Physics Experiments like MAGIC and EUSO/ N. Ottea, B. Dolgoshein, J. Hosea et al. // Nuclear Physics B - Proceedings Supplements, Volume 150, January 2006, Pages 144-149.

81.А.В. Ершов, А.И. Машин. Просветляющие покрытия в оптоэлектронике. Проектирование, материалы, особенности технологии: Лабораторная работа по курсу «Физико-химические основы технологии» / Сост. - Н. Новгород: ННГУ, 2007. - 28 с.

82.L. Gallego. Modeling crosstalk in silicon photomultipliers/ L. Gallego, J.

Rosado, F. Blanco and F. Arqueros. // Departamento de F_sica At_omica,

Molecular y Nuclear, Facultad de Ciencias F__sicas, Universidad Complutense de Madrid, E-28040 Madrid, Spain, February 2013, pages 20.

83.R. Mirzoyan, R. Kosyra, H.G. Moser. Light emission in Si avalanches/ Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, Volume 610, Issue 1, 21 October 2009, Pages 98-100.