Субсегментированные позиционно-чувствительные пиксельные матрицы для спектрометрии ядерных излучений с высоким позиционным и энергетическим разрешением

Созданы: конструкция и технология тестового образца на уровне чертежей фотошаблонов, принципиальная технологическая схема изготовления тестового образца, электронный тракт регистрации сигнала на уровне пилотного образца тракта.

Аннотация

Основной задачей второго этапа работ по проекту создания нового типа позиционно-чувствительных детекторов излучений с энергетической и координатной чувствительностью являлось создание элемента матричного детектора – субсегментированного пикселя и выполнение связанных с ней исследований. Полный план работ включал изготовление тестовых образцов субсегментированных пикселей, их исследование, создание системы регистрации сигналов матричного детектора с субсегментированными пикселями и разработку модели распределения электрического поля и траекторий движения носителей заряда в межпиксельном промежутке. Согласно плану, по фотошаблонам спроектированным на первом этапе работы, на кремниевых пластинах были изготовлены 23 работающих образца пикселей с размером активной области 1х1мм2. Образцы показали характеристики, удовлетворяющие требованиям разработки, в том числе одному из основных - низкой величине шума. Анализ вольт-амперных характеристик тестовых образцов субсегментированных пикселей показал незначительное влияние технологии их изготовления на свойства использованного кремния. Тем самым подтвеждена перспективность технологической схемы планарного процесса, оптимизированной на первом этапе работ с учетом необходимости получения тонкого контакта на N+ стороне детектора.
Была разработана принципиальная схема регистрации сигналов матричного детектора с субсегментированными пикселями и изготовлена система регистрации для матрицы с размерностью 16х8 на основе усилительного тракта, разработанного на первом этапе проекта. Система позволяет осуществлять параллельное считывание информации с субсегментов X и Y, после чего усиленные сигналы могут мультиплексироваться в зависимости от системы обработки информации.
Разработка модели распределения электрического поля и траекторий движения неравновесных носителей заряда была выполнена с использованием численного решения двумерного уравнения Пуассона для объема детектора, в котором один из контактов представлял периодическую структуру одномерных P – N переходов, а второй бесконечную плоскость. Разработанный интерфейс программы позволяет произвольно изменять шаг контактов и их ширину. Оптимизированный процесс решения уравнения Пуассона обеспечил эффективную сходимость итерационного процесса, включая и области краев сегментов при количестве итераций 1000 и шаге расчетной координатной сетки 1мкм. С помощью программы были выполнены моделирования распределений напряженности электрического поля у сегментированной стороны детектора, позволившие определить область максимально неоднородного поля и траектории движения носителей заряда в этой области, а также оценить влияние диффузии на деление сигнала между субсегментами и пикселями.
Таким образом, полученные результаты показали правильность выбора технологической схемы изготовления детекторов с субсегментированными пикселями, а разработанная программа моделирования позволяет приступить к разработке матричного детектора, что является основной задачей следующего третьего этапа.
Отчет по второму кварталу содержит фотографии изготовленных тестовых структур субсегментированных пикселей и электроники регистрации сигналов.

Созданы: технологическая схема создания тонкого входного окна на омической стороне субсегментированных матриц, тестовые P-I-N структуры с тонким входным окном, эскизы конструкции субсегментированной матрицы размерностью 8х16, стенд для исследования матричных детекторов; разработана модель процесса генерации сигналов сегментами пикселя и исследованы процессы генерации сигнала.

Созданы: макетный образец субсегментированных матриц, эскизная техническая документация на макетный образец матричного детектора с субсегментированными пикселями размерностью 8х16; проведены патентные исследования; составлены предложения на разработку опытного образца матричного детектора; исследованы электрофизические характеристики макетного образца матричного детектора; проведены испытания макетного образца матричного детектора.