СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА №9/2015

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ 13 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 9 2015 ны запрещённой зоны, так и, в зави- симости от условий рекристаллизации в кристалле GaAs, может образовы- вать мелкие акцепторные уровни чуть больше 3kT. Быстрые нейтроны, а также проме- жуточные нейтроны, взаимодействуя с различными веществами/мишеня- ми на поверхности полупроводни- ка GaAs, порождают вторичные энер- гетические частицы – как обладаю- щие зарядом ( α -частицы, электроны, протоны), так и высокоэнергетичные (незаряженные) кванты/фотоны в виде целого спектра лучей: от γ -квантов до оптических квантов и далее, вплоть до сантиметрового диапазона (тепловые нейтроны). С точки зрения дефектообразования (выбивания атомов из узла решётки) электроны, протоны, α -частицы про- никают в кристалл полупроводника и обладают определённой пороговой энергией. Для LPE GaAs она составляет у электронов порядка E n ≥ 250 кэВ [4]. Пороговую энергию дефектообразо- вания α -частиц и протонов в кристал- ле можно определить из соотноше- ния масс α -частиц и протонов к элек- трону (в частности, масса протона равна единице атомной массы (а.е.м.) и в 1836 раз больше массы электрона), то есть фактически из соотношения кинетических энергий (mV 2 /2) частиц, но с поправкой на коэффициент, кото- рый связан с сечением захвата ядром заряженной частицы. Поэтому можно говорить о параобразующих дефек- тах по Френкелю в десятки эВ (энергия ионизации GaAs, то есть энергия иони- зации заряженных частиц ≈ 6,0 эВ). Электрон с энергией 1,0 МэВ, как пра- вило, имеет пробег в кристалле GaAs практически на всю толщину кристал- ла (> 250 мкм), α -частицы с энергией 1,0 МэВ проникают на глубину 4 мкм. Длина пробега протонов с энерги- ей в 1,0 МэВ в GaAs составит ≈ 20 мкм, γ -кванты, как правило, «прошивают» кристаллы GaAs полностью (то есть длина пробега γ -квантов в кристалле GaAs в зависимости от энергии дости- гает нескольких сантиметров, при раз- умных толщинах чипа: от 0,06 мм (СВЧ- приборы) до 0,4 мм (силовые приборы). Наличие радиационных дефектов имеет свои хорошие и плохие сто- роны. В частности, в силовых прибо- рах радиационные точечные дефекты (радиационное легирование) являют- ся прекрасным инструментом повыше- ния быстродействия (частоты сило- вой коммутации) путём изменения важнейших параметров – плотности накопленной ЭДП-плазмы и времени её релаксации (восстановление обрат- ного сопротивления). Другими слова- ми, в легированных активных областях кристаллов меняются такие параме- тры, как μ , τ , L, D, а также оптический, диэлектрический и магнитный пока- затели (n = C/V, ε , μ ). Далее приведём физические моде- ли конструкций нейтронных датчиков на основе LPE i-GaAs-монокристалла с попыткой одновременного сепари- рования по энергетическому спектру, то есть датчиков быстрых, промежуточ- ных и медленных нейтронов. LPE i-GaAs-датчики быстрых нейтронов «Биллиардный» датчик Данному датчику, в принципе, уже лет 30, поскольку небольшая (срав- нимая по стоимости с платиной) серия таких LPE p–i–n GaAs-датчиков была изготовлена в СССР для сенсо- рики ядерного полигона в Семипа- латинске. Датчики отличались высо- кой чувствительностью и качеством. Советские датчики быстрых нейтро- нов были изготовлены на «графито- вом» LPE i-GaAs (по типу реакторной LPE-оснастки) и выдерживали напря- жения блокирования 600–800 В при заметном токе поверхностной утеч- ки (миллиамперы при t = 250 ° С и пре- дельных значениях U RRM ). «Отсекание» поверхностной утечки производится по методике ALD-пассивации, приве- дённой в [4] с уровнем обратного тока в десятки микроампер при максималь- ной температуре T j ≥ 300 ° C и предель- ном значении U RRM , что очень важно, поскольку бомбардировка нейтронами кристаллической решётки мишени на поверхности полупроводника сопро- вождается выделением больших зна- чений джоулева тепла (упругое стол- кновение нейтрона с ядром с резким гашением кинетической энергии ней- трона Δ E n = m n V 2 /2). Физический механизм упругого гашения энергии быстрого нейтро- на на ядрах водорода в соединениях типа (СH 2 ) n , которые являются замед- лителями (конверторами), например, на парафине C 18 H 38 C 35 H 72 неплохо опи- сан в недавнем патенте RU 2 532 647 от 28.06.13 г. (МИСиС, г. Москва) [5], с той лишь разницей, что в качестве приём- ника вторичной энергии, выделяемой облучённым конвертором, использует- ся высоковольтный электронно-эмис- сионный Шоттки GaAs-диод (GaAs SBD) c фиксацией протонов, выбитых из мишени (конвертора) быстрыми нейтронами (упругое выбивание ядер водорода) в области пространствен- ного заряда (ОПЗ) обратносмещённо- гоШоттки барьерного перехода. При- ёмный GaAs-сенсор выполнен методом хлоридной эпитаксии с толщинами слоёв от 10 до 80 мкм, с Pt-барьером Шоттки ( ≤ 500 Å ) и омическим кон- тактом Ni/AuGe/Au (точнее, вероят- но – AuGe/Ni/Au) с тыльной стороны GaAs-сенсора, с пассивацией меза-обла- стей Si 3 N 4 . Это неплохой датчик. Но есть и неко- торые замечания, такие как: ● гетерограница Me-GaAs при бомбар- дировке нейтронами, α -частицами, протонами и электронами будет активно аккумулировать структур- ные дефекты; ● плотность дислокаций MOCVD-слоёв GaAs-полуизолятора или высокоом- ного участка, образующих ОПЗ, не ниже чем 10 3 см –2 ; ● рабочие температуры чипа GaAs- датчика не выше 150–175 ° С (качество MOCVD и «потечёт» Si 3 N 4 защита). В итоге чувствительность такого дат- чика будет иметь не самые приемлемые пределы. Предложенный вариант регистрато- ра быстрых нейтронов с использова- нием водородного конвертора пока- зан на рисунке 1. На рисунке 2 показано конструктив- ное исполнение датчика быстрых ней- тронов в молибденовой капсуле. Физика работы p–i–n GaAs-датчика быстрых нейтронов с водородным конвертором заключается в следую- щем: реакторные нейтроны с макси- мальной энергией до 14 МэВ (средней ≈ 2,0–2,3 МэВ), попадая в конвертор (СH 2 ) n , испытывают упругие столкно- вения с ядрами водорода (как минимум, 15 столкновений при достаточно тол- стых плёнках водородного конвертора, допустим, парафина или полиэтилена), при этом кинетическая энергия началь- ного реакторного нейтрона E n = mV 2 /2 со скоростями до 5 × 10 9 см/с (близкая к релятивистской) гасится до скорости 2 × 10 5 – 10 6 см/с, то есть на три поряд- ка и более. Рассеянная энергия трансформиру- ется в упругую энергию протона, кото- рая будет составлять энергию от деся- тых долей начальной энергии быстрого нейтрона вплоть до диапазона в десят-