Разработка кремниевого фотоумножителя для применения в астрофизике и физике высоких энергий тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

Попова Елена Викторовна

РАЗРАБОТКА КРЕМНИЕВОГО ФОТОУМНОЖИТЕЛЯ ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ В АСТРОФИЗИКЕ И ФИЗИКЕ ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ

01.04.01 - приборы и методы экспериментальной физики

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Автор:

I—-

г ОЕЗ ¿012

Москва-2012

005008897

Работа выполнена в Национальном исследовательском ядерном университете «МИФИ»

Научный руководитель:

кандидат физико-математических наук Юрий Борисович Гуров

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук Баярто Константинович Лубсандоржиев (ИЯИ РАН, г.Москва)

кандидат физико-математических наук, Сандуковский Вячеслав Григорьевич (ОИЯИ, г.Дубна)

Ведущая организация: ФГУП «ГНЦ РФ Институт теоретической

и экспериментальной физики», г.Москва

Защита состоится " 29 " февраля 2012г. в 15час. ООмин. на заседании диссертационного совета Д 212.130.07 при НИЯУ МИФИ по адресу: 115409, Москва, Каширское шоссе, д.31, телефон 499-324-84-98, 499-323-95-26.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИЯУ МИФИ.

Автореферат разослан ЛИ&ОМ 2012г.

Просим принять участие в работе совета или прислать отзыв в одном экземпляре, заверенный печатью организации.

/

Ученый секретарь диссертационного совета, /^у доктор физико-математических наук,

Улин С.Е.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследований.

Для регистрации импульсного оптического излучения ультраслабых потоков на уровне одиночных фотонов в современном физическом эксперименте наиболее широкое распространение 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.

Эти недостатки ФЭУ стали причиной активной разработки твёрдотельных приборов на основе полупроводниковых материалов, использующих 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, обусловленным ударной ионизацией — лавинные фотодиоды (ЛФД), были разработаны более 50 лет назад. Достоинствами ЛФД являются их высокая квантовая эффективность (до 90 %), быстродействие и широкий динамический диапазон. Однако, флуктуация коэффициента умножения, обусловленная статистической природой процесса размножения носителей, приводит к появлению избыточного шума (шум-фактора), не позволяющего регистрировать одиночные фотоны.

Лавинные фотодиоды, работающие в гейгеровском режиме, обеспечивают такую возможность, но не позволяют получать информацию об интенсивности светового сигнала.

Таким образом, назрела необходимость в появлении полупроводникового детектора, позволяющего с высокой эффективностью и амплитудным разрешением регистрировать как одиночные фотоны, так и свет более высокой интенсивности.

Прототипы таких детекторов появились в России в конце 80-х годов 20 века, однако принцип их работы был неясен и эффективность регистрации света низка. В 90-х годах появилось понимание физических принципов работы этих приборов и, в результате, были заложены теоретические основы создания нового класса твёрдотельных фотодетекторов, основанных на совокупности гейгеровских микросчетчиков, объединенных на общей подложке. Такой тип приборов будем далее обозначать как кремниевые фотоэлектронные умножители (81ФЭУ)

В настоящее время в мире начинают разрабатывать аналоги БКЮУ, достигая для отдельных параметров рекордных значений. Лучшими результатами на текущий момент являются эффективность регистрации синего света, равная 40% (оптическая связь при этом 30-40%), полученная на аналогах Si<TOY, изготовленных японской фирмой Hamamatsu Photonics и величина оптической связи, равная 1 -2% (при эффективности регистрации света 16%) на детекторах, произведенных фирмой STMicroelectronics.

Основной проблемой является создание детектора с максимально возможной эффективностью регистрации фотонов, особенно синего и ультрафиолетового диапазона, что требуется в ряде крупных физических экспериментов, одновременно с минимальным уровнем оптической связи между элементами (ячейками) SiOSY.

Так, например, для будущего Международного Линейного Коллайдера (ILC) требуется построение адронного калориметра со сверхвысокой гранулярностью, содержащего несколько миллионов каналов и работающего в магнитном поле 4 Т. Было экспериментально показано, что создание такой установки возможно на основе пластиковых сцинтилляторов (тайлов), с установленными в них волокнами-сместителями спектра и с использованием Si<t>3y. Однако требовалось разработать специальный тип Si®3Y с максимальной чувствительностью к свету с длиной волны 420 нм, что соответствует спектру высвечивания пластикового сцинтиллятора. Такой Si<t>3Y позволит существенно упростить детектирующий элемент калориметра - сборку тайл-Б1ФЭУ, благодаря прямому считыванию света без применения дополнительных спектросмещающих волокон.

В гамма-астрономии диапазон энергий гамма-квантов от десятков ГэВ до ~1 ТэВ является наименее изученным, поскольку при этих энергиях эффективность космических методов наблюдений существенно падает, а чувствительность наземных Черенковских телескопов недостаточна для надежной идентификации первичных гамма-квантов. Эксперимент MAGIC (Major Atmospheric Gamma Imaging Cerenkov Telescope) успешно функционирует в настоящий момент и обладает самым низким в мире порогом по энергии ~20 ГэВ. В качестве фотодетекторов в нем используются вакуумные ФЭУ с квантовой эффективностью ~34%. Увеличение эффективности регистрации света в диапазоне 300-600 нм в результате использования Si03Y, по-видимому, позволит еще понизить порог по энергии.

Для использования в экспериментах физики высоких энергий и астрофизики был разработан и изготовлен кремниевый фотоэлектронный умножитель, чувствительный к синему и ультрафиолетовому излучению, исследованы параметры и созданы прототипы на его основе.

Целью работы являлась разработка конструкции и технологии изготовления Si<J>3Y большой площади, с высокой чувствительностью к синему и ультрафиолетовому свету и минимальной оптической связью для использования в экспериментах физики высоких энергий и астрофизики. Для достижения поставленной цели необходимо было:

1. Разработать конструкцию Si®3Y для регистрации синего и • ультрафиолетового излучения, оптимизировать технологический маршрут при помощи компьютерного моделирования с использованием САПР ISE TCAD, изготовить партию и провести изучение характеристик Si03Y;

2. Разработать методику измерения оптической связи между элементами Sid>3Y;

3. Разработать способы подавления оптической связи между элементами Si<P3Y;

4. Разработать конструкцию и изготовить прототипы на основе Si<t>3Y для использования в качестве детектирующего элемента в тайловом адронном калориметре ILC и в эксперименте MAGIC.

Научная новизна

1. Определены причины возникновения взаимосвязи между элементами SiS>3Y за счет вторичного оптического излучения при гейгеровском срабатывании ячейки;

2. Предложены новые методы подавления оптической связи, основанные на создании:

• второго р-п-перехода, разделяющего между собой

фоточувствительный слой и подложку Si<J>3Y;

• областей повышенного поглощения света на обратной стороне и/или

в объеме подложки Sii>3Y;

3. Изготовлены Si3>3Y с эффективностью регистрации света синего и ультрафиолетового диапазона более 50% и обладающие одновременно взаимосвязью между ячейками на уровне 3-6%, что позволило создать детектор фотонов с шум-фактором, практически равным 1.

4. Создан многоканальный прототип адронного калориметра на основе Sii>3Y для будущего ILC и впервые получена информация о внутренней структуре адронных ливней.

Практическая значимость работы состоит в том, что в результате исследований получены кремниевые фотодетекторы, которые используются в экспериментальных физических установках, а также могут быть применены в медицинских и инженерных приложениях.

Положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Методы подавления оптической связи в кремниевых фотоэлектронных умножителях;

2. Методика моделирования SÍ03Y для регистрации синего и ультрафиолетового света с использованием приборно-технологической САПР ISE TCAD;

3. Детектирующий элемент на основе Si03Y, созданный для тайлового адронного калориметра ILC;

4. Охлаждаемый модуль на основе матрицы из Si<D3Y для использования в эксперименте MAGIC.

Достоверность и обоснованность основных научных положений и выводов диссертационной работы определяются практическим использованием созданных детекторов, сравнением результатов измерений настоящей работы с опубликованными в литературе сопоставимыми данными других авторов и использованием для измерений современной высокоточной электроники и программного обеспечения, публикацией результатов в печати и апробацией на научных конференциях и семинарах.

Вклад автора

Автор осуществлял компьютерное моделирование и участвовал в разработке технологии производства Si®3Y, контролировал изготовление детекторов в Технологическом центре МИЭТ, принимал участие в измерении характеристик образцов Sií>3Y, в создании и тестировании прототипа калориметра в CERN и обсуждении результатов измерений. Автору принадлежит определяющая роль в создании прототипа охлаждаемого модуля для использования в эксперименте MAGIC.

Апробация работы

Результаты исследований, положенные в основу диссертации, представлялись и обсуждались на 4th International coference on New Developments in Photodetection (Beaune 2005), международных совещаниях по детектированию света слабой интенсивности, проводимых институтом Макса Планка по Физике (Мюнхен) LIGHT06 (Израиль 2006) и LIGHT07 (Мюнхен 2007), на Научной сессии МИФИ-2007 и 2008, International Workshop on New Photon Detectors (Япония, Shinshu University, 2009), International Conference on imaging techniques in subatomic physics, astrophysics, medicine, biology and industry (Стокгольм 2010), Industry-academia matching event on SiPM and related technologies (CERN 2011).

Получен патент Российской Федерации №2290721 "Кремниевый фотоэлектронный умножитель (варианты) и ячейка для кремниевого фотоэлектронного умножителя» от 27/12/2006.

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 7 статей.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения. Содержит 78 страниц печатного текста, 48 рисунков, 4 таблицы и список литературы из 91 наименования. Полный объем 123 страницы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении указана актуальность темы диссертации, ее цель, научная и практическая значимость работы, представлены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассматриваются существующие в настоящее время детекторы импульсного света слабой интенсивности.

Для регистрации слабых световых сигналов чрезвычайно перспективным оказался изобретенный в 1930г. Л.А.Кубецким "многоэлементный электронный прибор", в одном вакуумном баллоне которого были размещены фотокатод и группа электродов, называемых динодами, обеспечивающих усиление первичного потока фотоэлектронов за счёт использования эффекта вторичной эмиссии. Впоследствии такой прибор получил название фотоэлектронного умножителя - ФЭУ.

ФЭУ широко используются в различных физических экспериментах, например, в калориметрах, RICH (Ring Image Cherenkov counter)- и DIRC (Detection of Internally reflected Cherenkov %1й)-детекторах и трековых детекторах.

Однако большое количество современных и планируемых в будущем экспериментов имеют или предполагают иметь высокое магнитное поле, поэтому для работы в таких условиях приходится находить замену вакуумным ФЭУ в виде твердотельных, например, полупроводниковых, детекторов.

Всё многообразие полупроводниковых детекторов фотонов можно разделить на две большие группы:

• фотодетекторы, в которых преобразование светового сигнала происходит без внутреннего усиления заряда;

• фотодетекторы с внутренним усилением заряда.

К первой группе относятся, например, PIN-фотодиоды, которые благодаря своей надежности, компактности и невысокой стоимости, успешно применяются в различных физических экспериментах (CLEO, L3, BELLE, BABAR, GLAST). Их недостатком при регистрации света длительностью <1 мкс является необходимость использования широкополосного внешнего

усилителя, что, из-за шумов самого усилителя, не позволяет зарегистрировать вспышку света с количеством фотонов менее 1000.

У детекторов второй группы внутреннее усиление заряда происходит, как правило, за счёт процесса ударной ионизации в сильных электрических полях. Под действием поля свободный носитель заряда (электрон или дырка) приобретает энергию, достаточную для ионизации нейтрального атома и освобождения ещё одной электрон-дырочной пары, причём такой процесс может повторяться неоднократно. К таким детекторам относятся лавинные фотодиоды - ЛФД, которые могут работать как в пропорциональном, так и в гейгеровском режимах. Из-за избыточного шума, связанного с „ / Т разбросом коэффициента

I I Ц_^г................усиления ЛФД при раооте в

апропорциональном режиме. ^¡¡¡^¡^ЩШ^^шк одиночные фотоны рсгист-

Г-?^: рировать невозможно.

ч Такая возможность по-

яНИ| I является при использова-

| Г. 1 нии ЛФД в гейгеровском

(непропорциональном) ре-иснещ~60У 0 жиме, поскольку величина

б) в) снимаемого сигнала (заряд

<3) определяется в данном случае произведением

С|=С*(У-Упроб), где С- емкость ЛФД, V -рабочее (приложенное) напряжение обратного смещения, Упроб - напряжение пробоя ЛФД.

Как правило, при использовании приложенного напряжения на несколько вольт выше пробойного, получаемый сигнал уже не требует последующего усиления. Однако информация об интенсивности входного воздействия при этом теряется.

Для того, чтобы сохранить возможность измерения интенсивности при регистрации одиночных фотонов, был разработан детектор фотонов нового типа - кремниевый фотоумножитель - 81ФЭУ.

Рис.1. Конструкция (а), фотографии чувствительной поверхности (б) и ячеек (в) 81ФЭУ и осциллограмма сигналов (г) 81ФЭУ.

81ФЭУ состоит из упорядоченного набора одинаковых ячеек - лавинных фотодиодов, работающих в гейгеровском режиме и образующих макроскопический детектор чувствительной площадью до 5x5мм2 (рис. 1а, б).

Типичное количество ЛФД-ячеек, составляющих Б^ФЭУ, 100-4000 шт/мм2. Ячейки выполнены на общей кремниевой подложке, каждая содержит индивидуальный поликремниевый резистор и посредством алюминиевых шин все ячейки объединены в общей точке (рис.1 в), с которой и снимается электрический сигнал (см. рисЛг).

В результате гейгеровского разряда во внешней цепи появляется электрический сигнал, заряд которого определяется элементарной емкостью ячейки и приложенным перенапряжением (превышением напряжения над напряжением пробоя).

Гашение гейгеровского разряда происходит благодаря падению напряжения на токоограничивающем резисторе, в результате чего напряжение на р-п-переходе падает ниже пробойного и разряд прекращается.

Таким образом, сигнал с ячейки стандартизован и фактически является цифровым ("0" или "1"), тогда как 81ФЭУ уже аналоговый прибор и позволяет измерять интенсивность падающего на него света.

Во второй главе рассматриваются вопросы, связанные с существованием взаимосвязи между ячейками 81ФЭУ, обусловленной вторичным излучением света в результате гейгеровского разряда сработавшей ячейки.

Идеальный 81ФЭУ должен состоять из независимых ячеек, но в результате развития гейгеровского разряда свободные носители, с вероятностью порядка 10"5 испускают кванты электромагнитного излучения широкого спектрального состава (от ультрафиолетового до инфракрасного излучения).

Эти фотоны распространяются внутри объема 81ФЭУ и вызывают срабатывание других ячеек. Взаимодействие между ячейками - оптическая связь, является основным недостатком 81ФЭУ, значительно ухудшающим его характеристики. То есть, оптическая связь — это вероятность того, что от сработавшей ячейки SiФЭУ сработает какая-либо другая ячейка из данного 81ФЭУ.

Примеры одноэлектронных зарядовых распределений сигналов 81ФЭУ с коэффициентом оптической связи -60% (а) и ~1% (б) показаны на рис. 2. Одноэлектронное (одноячеечное) распределение сигналов - это спектр, состоящий из набора пиков, соответствующих срабатыванию 0, 1, 2 и т.д. ячеек 81ФЭУ. При этом пик, соответствующий отсутствию сигнала с 81ФЭУ (0 сработавших ячеек), обычно называют «пьедесталом».

При наличии оптической связи можно корректно вычислять количество первоначально сработавших ячеек только по числу отсчетов, содержащихся в пьедестале одноэлектронного распределения. Поскольку события пьедестала соответствуют случаю, когда гейгеровского разряда не произошло, то оптическая связь не оказывает влияния на статистику событий в этом пике. Если источник света флуктуирует по Пуассону, тогда вероятность «нулевых» (пьедестальных) событий Р(0) определяет среднее число сработавших ячеек 81ФЭУ Ыр1х0:

N °

р(0) = р,х0 • = е Мр1х0 О!

Количество первичных, то есть, сработавших на внешнюю вспышку света ячеек, одинаково для обоих представленных на рис.2 распределений

и равно ^¡хо=4.30±0.05.

При анализе спектра, соответствующего 81ФЭУ с высокой оптической связью, видно, что за счет срабатывания ячеек от вторичных фотонов уменьшается доля сигналов с малыми амплитудами и увеличивается - с большими. Ширина распределения также растет. Это означает, что шум-фактор такого прибора >1. В среднем на каждую первичную ячейку, сработавшую от внешней вспышки, за счет оптической связи приходится еще 2 дополнительно сработавших ячейки. Это означает, что оптическая связь приводит к уменьшению эффективного динамического диапазона БЮЭУ.

Оптическая связь влияет и на шумовые параметры 81ФЭУ. На рис.3 показана зависимость темновых шумов 81ФЭУ в зависимости от порога для 3 различных коэффициентов усиления (различных перенапряжений) 81ФЭУ.

100 200 300 400 500 600

оптическая связь -

УЩаа,

б)

Рис.2 Распределение сигналов для Б^ФЭУ с разным значением оптической связи при равной вероятности «нулевых» событий

Порог выражен в количестве сработавших ячеек. 81ФЭУ не имеет защиты от оптической связи.

Коэффициент оптической связи х1 определяется как отношение количества темновых импульсов 8№ЭУ соответствующих 2 и более одновременно (в течение длительности определенного временного интервала) сработавших ячеек N2* к 1 иболееЫ)>: ——

Из этого отношения следует, что для идеального прибора, не имеющего связи между ячейками, наличие темновых импульсов, соответствуют только одной сработавшей ячейке. При наличии связи появятся темновые импульсы, соответствующие более чем одной сработавшей ячейке. Видно, что с увеличением усиления (перенапряжения) коэффициент оптической связи растет.

Эффект медленного падения частоты темновых шумов 81ФЭУ с высо-

ю6 105 ю4

я"

г

5 103

¡т

0

1 Ю"

0

к

1 10' 10°

10-М..... ■ ■ ■ ■ ■

0 2 4 6 8 10 12 14 16 порог, ячейки

Рис.3 Частота темновых шумов Б!ФЭУ в зависимости от порога при разных усилениях ячейки.

1 1 1 — о— усиление 7Е5

о К** — А — — *- - усил - усил< зние 1 гиие 1 Е6 ЗЕ6

"Ъ- ъ ъ, о 'А. "А -- X *.....

\ к 'Ж 'и *

\ к. А " А

\ \ А

кои оптическои связью, ограничивает их применение в экспериментах, где требуется вырабатывать «самотриггер». Несмотря на чувствительность 81ФЭУ к одиночным фотонам, скорости счета темновых импульсов не позволяют установить минимальный уровень порога. Это означает, что при попытке получить максимальную эффективность регистрации света, необходимое повышение перенапряжения приводит к быстрому увеличению оптической связи, что делает невозможным применение Б1ФЭУ в экспериментах с низким уровнем светового сигнала.

Отсюда следует, что требуется создать 81ФЭУ с подавлением оптической связи. Для этого, прежде всего, необходимо установить пути распространения вторичного оптического сигнала в кремниевой структуре (рис.4).

__ Допустим вначале, что оптиче-

а)

■ * >

и

б)

, \ \

и

В)

ской изоляции ячеек нет (рис.4а). Свет, порожденный гейгеровским разрядом ячейки, может проникнуть в соседние ячейки напрямую, распространяясь в области пространственного заряда по траектории «I». Если траектория света уходит вглубь подложки, но фотоэффект происходит на расстоянии диффузионной длины от ОПЗ, то появившийся свободный носитель может попасть в ОПЗ соседней ячейки посредством диффузии. Этот путь обозначен цифрой «2». И для самого длинноволнового света существует вариант, когда фотон отражается от обратной стороны подложки и снова попадает в ОПЗ соседней ячейки -траектория «3».

Во всех трех случаях здесь и далее выражение «соседняя ячейка» относится как к ближайшим к сработавшей, так и к

остальным ячейкам 81ФЭУ.

Теперь допустим, что ячейки разделены У-образными канавками (рис.4б), которые получаются в процессе анизотропного жидкостного трав-

Рис.4. Пути распространения вторичного оптического сигнала внутри 81ФЭУ

ления кремния с ориентацией (100). Канавки защищают соседние ячейки от попадания в них прямого света, увеличивая долю событий, приходящихся на варианты «2» и «3», Однако, при оставшихся возможными вариантах 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) 81ФЭУ и остальной частью подложки, обеспечивающей механическую прочность кристаллу 81ФЭУ (рис.4в) (патент Российской Федерации №2290721 "Кремниевый фотоэлектронный умножитель (варианты) и ячейка для кремниевого фотоэлектронного умножителя» от 27/12/2006).

Оставшуюся (см. рис.4г) последнюю компоненту вторичного излучения, распространяющуюся по варианту «3» - отражение от подложки -можно уменьшить за счет использования дополнительных светопогло-щающих слоев, создаваемых в объеме и/или на обратной поверхности подложки.

В третьей главе приводится методика расчетов и результаты моделирования 81ФЭУ чувствительного к ультрафиолетовому свету. Эффективность регистрации света г - это ключевой параметр фотодетектора. Большинство применений заинтересовано в фотодетекторах как можно более высокой эффективности.

Для 81ФЭУ эффективность регистрации света г является комбинацией нескольких независимых факторов: е=0*С)Е*А,

где в- гейгеровская эффективность, то есть, вероятность образования гейгеровского разряда свободным носителем (парой свободных носителей), находящимся в области высокого поля, ОЕ- квантовая эффективность, то есть, среднее количество электрон-дырочных пар, произведенных в результате фотоэффекта в области пространственного заряда (ОПЗ), А — геометрическая эффективность, то есть, отношение фоточувствительной площади 81ФЭУ к полной площади.

Каждый из этих факторов можно оптимизировать независимо от других.

Особенностью синего света является глубина поглощения в кремнии <100нм. Фактически, такой свет поглощается у самой поверхности 81ФЭУ, что определяет принципы построения фотодетектора.

Поскольку Б1ФЭУ состоит из гейгеровских счетчиков, большое значение имеет оптимизация его конструкции для достижения максимально воз-

Входное окно

Обедненная

яблйэт*. ШЩШЩ&ЩШШ

„ - 111111111111 111111111111:

щщ

падпажка :.....1

1 •":'"■'•'■ ; 1 • ■ 1 ■ ■ ■

контакты

можной гейгеровской эффективности. Вероятность развития гейгеровского разряда для стартового электрона существенно выше, чем для дырки при фиксированном перенапряжении. Из этого следует основной вывод — для регистрации синего света Б1ФЭУ должен иметь конструкцию типа р-оп-п. Это означает, что в приповерхностной области кремния п-типа проводимости необходимо сформировать область р-типа так, чтобы появившиеся в ней или вблизи нее в результате поглощения фотонов электроны двигались к области п-типа, пересекая зону высокого поля.

Носители, сгенерированные в необедненном (сильнолегированном) слое входного окна фотодетектора, с определенной степенью вероятности будут вынесены в ОПЗ за счет диффузии или под действием встроенного поля, возникающего из-за градиента легирующей примеси.

Создание тонкого слоя входного окна является определяющим фактором, позволяющим получить высокие значения внутренней квантовой эффективности для ультрафиолетового света. Для оценки влияния толщины входного окна на внутреннюю квантовую эффективность было проведено компьютерное моделирование.

Моделирование проводилось при помощи программного пакета [БЕ

■ "Тонкое" окно, примеси

• "Толстое" окно, примеси - - Электроны

■ - Дырки

1,0 1,5 У, микрон

Рис.5. Структура 81ФЭУ, используемая для моделирования выноса свободных носителей из области входного окна(а), распределение легирующих примесей и свободных носителей при напряжении пробоя, приложенном к структурам 81ФЭУ с «тонким» и «толстым» входными окнами (б).

TCAD 6.0 с использованием двухмерной структуры, показанной на рис.5а. Распределение примесей получено в результате технологического моделирования с использованием программы DIOSISE. Моделирование проводилось для 2 типов входного окна - «толстого» и «тонкого», отличающихся технологическими режимами изготовления. Также на рис.5б показано распределение свободных носителей (границы ОПЗ) при напряжении пробоя. При этом толщина области «тонкого» входного окна составляет порядка 200 нм, «толстого» - порядка 400 нм.

Свет падает перпендикулярно входному окну на всю площадь структуры. Длина волны света 400нм, длительность импульса Юпс.

Для обоих вариантов входного окна проводились квазистационарные и динамические расчеты. Расчет заключался в решении системы уравнений, включающей уравнение Пуассона и два уравнения непрерывности (для электронов и для дырок).

Методика расчетов заключалась в следующем:

1) Определялось напряжение пробоя структуры с определенным типом входного окна по достижению значений ионизационных интегралов электронов и дырок равных 1.

2) Квазистационарным образом поднималось напряжение обратного смещения, приложенное к моделируемой структуре, до значения на 20% превышающего напряжение пробоя, при этом определялся темновой ток Idark структуры для заданных значений времен жизни носителей.

3) Для данного напряжения проводилось динамическое моделирование светового воздействия на структуру в течение 1 Опс (временной интервал от 10"ь до 10'1!с). Интенсивность света, одинаковая для обеих моделируемых структур, задавалась так, чтобы значение фототока было много больше значений темного тока и концентрация сгенерированных светом носителей не превышала концентрацию легирующих примесей в необедненных областях.

4) Полученные на предыдущем шаге распределения использовались для дальнейшего динамического моделирования уже без воздействия света (релаксация системы) для временного интервала от 10"11 до 10"5с.

Все расчеты, кроме пункта I, проводились без учета процессов ударной ионизации.

Результатом моделирования являлись параметры и форма импульсов токов I(t) (рис, 6), возникающие на контактах моделируемой структуры.

Квантовая эффективность <3Е структуры определялась как отношение числа электронов МЭЛСК7рон, образованных под действием света и прошедших

через область пространственного заряда, электронов к числу фотонов Мф0Т0И, попавших в кремний:

Ре- ^элек7р0Н/ Кфотон

Nф0X0„ определялось из известной интенсивности падающего света, площади засветки и длительности светового импульса и составило 530±1 штук. Количество электронов Ммек1р0„ определялось интегрированием по времени импульса тока на контакте моделируемой структуры. Количество

электронов и, следовательно, квантовая эффективность, зависят от времени жизни свободных носителей. Необходимо заметить, что время жизни свободных носителей является «подгоночным» параметром при моделировании с использованием КЕ ТСА1), так как определяется технологией изготовления приборов.

Величины, полученные при расчете квантовой эффективности, представлены в табл. 1:

Таблица 1

120 180 Время, по

Рис.6 Импульсы токов 1(4) на контактах моделируемой структуры БЮЭУ.

Входное окно •^электрон» ШТ. те = 3*10"бс ть= 1*10"5с ■^электрон? ШТ. те= 1*10"7с ть= 1*10"7с (ЗЕ, % те = 3*10"6 с тн= 1*10"5с дв, % те= 1*10"7с т„ = 1*10-7с

«толстое» 516 ±5 355±5 97±1 67±1

«тонкое» 522±5 463+5 98±1 87+1

Из анализа табл. 1 видно, что для времен жизни электронов и дырок соответственно те = 3*10"6 и xh = 1*10"5с разница в квантовой эффективности между двумя моделируемыми типами профилей входного окна достаточно мала. При этом абсолютные значения квантовой эффективности близки к 100%. Существенная разница наблюдается в форме импульса тока, получаемого для «тонкого» и «толстого» окна. В первом случае ширина импульса тока на полувысоте составляет 22пс, во втором — 85пс.

При уменьшении времен жизни до тв = th = 1 *10"7с квантовая эффективность снижается, причем сильнее этот эффект выражен для «толстого» входного окна. Длительность импульса тока на полувысоте также несколько уменьшается.

На основании проведенного моделирования можно сделать вывод, что для достижения наилучших параметров Si03Y как с точки зрения эффективной регистрации ультрафиолетового излучения, так и временных характеристик, необходимо делать как можно более тонкое входное окно, т.е. < 200 нм.

В четвертой главе изложены результаты измерений характеристик

Si<53y и представлены прототипы для применения в экспериментах на ILC и в MAGIC.

К настоящему времени изготовлены образцы Б1ФЭУ с усиленной защитой от оптической связи. Sii>3Y имеют входное окно р-типа, активную область n-типа и подложку р-типа проводимости. Ячейки разделены V-образными канавками глубиной 3.5 микрона.

Были изготовлены Si<53y с площадью 1x1 и 3x3мм2 с различными вариантами топологии и размерами ячейки 50x50 и 100x100 мкм2. Геометрическая эффективность при этом варьируется в пределах от 40 до 80% в зависимости от топологии ячейки.

# п

, хл........f т -г- - -г .......I.............. ....

Т м ?

i §

4

300

350 400 450 500 550 600 длина волны А, нм

Рис.7 Измеренная эффективность регистрации света 81ФЭУ в зависимости от длины волны для перенапряжения 4.7В.

На рис.7 показана эффективность регистрации света в зависимости от длины волны света для Si®3Y (размеры ячейки 100x100 мкм2, геометрическая эффективность 80% и площадь Si®3Y 1x1мм2 ), измеренная в термостате при температуре +20С и перенапряжении 4.7В. В качестве источников света использовались светоизлучающие диоды с разной длиной волны высвечивания в импульсном режиме. Референсный фотодетектор - калиброванный PIN-фотодиод с известной квантовой эффективностью. Пик эффективности Si®3Y приходится на спектральный диапазон 350-450нм и соответствует задачам как эксперимента MAGIC так и адронного калориметра для Международного линейного коллайдера.

На рис.8 показаны измеренные зависимости оптической связи для Si®3Y различной чувствительной площади (1x1 и 3x3 мм2). Оптическая

связь для Sii>3Y с размера-

0,20и--r-t ми 1x1 мм" составляет

3.5% для перенапряжения 4В. Для Si<J>3Y с размерами 3x3 мм2 оптическая связь оказывается больше (10%). Это связано с эффектом отражения вторичного излучения от обратной стороны кристалла и регистрацией его ячейками Si03Y.

Для Si<&3Y 3x3мм2 представлено 2 кривых оптической связи — для кристаллов, собранных в корпус при помощи клея и при помощи эвтектики. Эвтектика - это способ присоединения полупроводниковых кристаллов к основанию корпуса, основанный на образовании расплавленной зоны, в которой происходит растворение поверхностного слоя полупроводникового материала и слоя металла основания корпуса. Очевидно, что создание эвтектической прослойки между кристаллом и корпусом изменяет условия отражения-поглощения света, что и приводит к существенному снижению оптической связи.

Изучение физических явлений, ожидающихся на ILC, невозможно без создания детектирующей системы с беспрецендентными параметрами, по-

л

со

к: ш о

к

го ^

о ф

т s н п

о

0,16-

0,12-

0,08

0,04-

0,00

2 3 4 5 перенапряжение, В

Рис.8 Измеренная зависимость оптической связи от перенапряжения для 51ФЭУ различной чувствительной площади и для разных способов сборки в корпус.

зволяющей эффективно различать массы тяжелых бозонов W, Z и Н в многоструйных событиях. Это условие требует точности определения энергии струй 30%/\'Е(ГэВ), что примерно в 2 раза лучше, чем в существующих в настоящее время адронных калориметрах.

Согласно результатам моделирования такого разрешения можно достигнуть только при прослеживании индивидуально траектории каждой частицы внутри всего объема детектора и только оптимально комбинируя информацию, полученную с трековых детекторов и с калориметров. Этот подход лежит в основе нового метода восстановления энергии частицы

(Particle Flow Method). Калориметры при этом должны являться «визуализирующими» трек частицы устройствами, что требует сверхвысокой гранулярности как в продольном, так и поперечном направлении и, соответственно, экстремально большого общего количества каналов (несколько миллионов). Основной задачей для адронного калориметра является разделение ливней, инициированных нейтральными и заряженными частицами, находящимися в непосредственной близости друг от друга.

С появлением кремниевых фотоумножителей, необходимая гранулярность может быть достигнута, например, в калориметрах, где активным веществом являются сцинтилляторы.

Адронный калориметр для ILC находится сейчас в стадии разработки (строительство прототипов). Постройка «физического» прототипа на основе сцинтилляционных тайлов и Si'P3Y уже завершена. Прототип содержит 7620 регистрационных каналов.

Основными задачами прототипа являлись:

Рис.9 Прототип адронного калориметра на основе Sii>3Y в экспериментальном зале CERN

® «физическая» - изучение формы адронных ливней и тестирование

концепции Particle Flow Method » «техническая» - измерение характеристик и изучение надежности

7620 8:ФЭУ, установленных в прототип. Si®3Y были разработаны совместно НИЯУ МИФИ и ПУЛЬСАР. Это было первое в мире масштабное применение 81ФЭУ. Прототип (представлен на рис.9) имеет размеры порядка 1 м и содержит 38 плоскостей (~5 ядерных длин взаимодействия), составленных из сцинтилляционных тайлов толщиной 5 мм и площадью от 30x30 до 120x120 мм2 (рис.106). Тайлы упакованы в стальные кассеты (рис. 10а), между плоскостями установлен стальной абсорбер толщиной 20 мм. В каждый тайл вмонтировано волокно-сместитель

спектра диаметром 1 мм, по которому сцинтилля-ционный свет транспортируется на в^ФЭУ с размером чувствительной области 1.1x1.1мм2

(рис. 10а). Сборки тайл -волокно-сместитель спектра — 81ФЭУ были изготовлены и протестированы в ИТЭФ.

При регистрации ливня рабочим является режим, когда через каждый тайл в течение длительности временных ворот после триггерного сигнала, определяемого моментом столкновения пучков в коллайдере, Рис.10. Кассета (а) со сборками тайл^ФЭУ проходит не более одной

(б), Si®3y (в) частицы. Ионизирующая

частица, с траекторией, перпендикулярной плоскости тайла, пересекая его, оставляет в сцинтилляторе определенное количество энергии. Для релятивистских частиц эта энергия примерно равна энергосбросу минимально ионизирующей частицы. Тогда можно ввести

такую характеристику ячейки калориметра, как ее отклик на прохождение минимально ионизирующей частицы Амип.

Удобно энерговыделение ливней считать в количестве зарегистрированных минимально ионизирующих частиц. Для этого энерговыделение в каждом из тайлов Ai необходимо разделить на наиболее вероятное значение потерянной в тайле энергии Амип: Ni=Aj/AMHn

Тогда энергия ливня N равна сумме выделившейся энергии во всех сработавших тайлах Ni. Для данного прототипа Амж,-15 сработавших ячеек Si<D3y, максимальная измеряемая величина сигнала с одного таила -100

Прототип тестировался на ускорительных пучках DESY, CERN и FNAL и впервые в мире позволил в реальности наблюдать и исследовать в деталях развитие ад-ронных ливней (рис.11). Полученная информация использовалась для отработки алгоритмов восстановления ливней и разделения струй и отладки и уточнения различных программ MC моделирования развития адронных ливней. По предварительным оценкам энергетическое разрешение прототипа для адронных ливней составляет 45%Л/Е(ГэВ).

В настоящий момент исследуется возможность использования прямого считывания сцинтилляционного тайла посредством Si4>3y, без использования спектросмещающего волокна.

Преимущества такого подхода очевидны. Отсутствие волокна существенно упрощает конструкцию сборки, уменьшает количество операций и снижает требования к точности установки Si®3y на корпус и, соответственно, в тайл. Поскольку полное число каналов калориметра несколько миллионов, такое упрощение сборки имеет большое значение.

:. . vi....,,:.'. .. ' ' . : : . ■ -■■■■ - - ■■■■:■- -Iii : К

! i

Рис.11 Адронный ливень, зарегистрированный прототипом калориметра.

Для обеспечения возможности реализации варианта «прямого» считывания тайла 5|'ФЭУ должен иметь максимум спектральной чувствительности 420 нм и оптическую связь не выше 10%.

Было проведено исследование прямой (без помощи спектросмещающе-го волокна, интегрированного в сцинтилляционный тайл) регистрации минимально ионизирующих частиц, пересекающих тайл перпендикулярно большой плоскости, посредством 81ФЭУ.

Сцинтиллятор был изготовлен на предприятии «ишр1а$1:» (г.Владимир) и имел геометрические размеры - 30x30x3мм^. Для повышения светосбора тайл был обернут фольгой ЗМ. В качестве фотодетектора использовался разработанный 81ФЭУ с площадью чувствительной поверхности 1x1 мм2 и размером ячейки 100x100 микрон2 при геометрической эффективности 60%. Поверхность 81ФЭУ защищена посредством прозрачного эпоксидного компаунда фирмы ЕРОТЕК.

коллиматор

Рис Л 2. Схема установки по регистрации минимально ионизирующих частиц сборкой сцинтилляционный тайл-81ФЭУ.

В качестве источника минимально ионизирующих частиц использовался коллимированный (диаметр отверстия около 1мм) бета-источник Бг90, расположенный в геометрическом центре большой стороны тайла. 81ФЭУ устанавливался вплотную к боковой стороне сцинтиллятора без использования оптической смазки (воздушный зазор). Под исследуемым сцинтилля-тором располагался еще один пластиковый сцинтиллятор, просматривае-

мый посредством стандартного вакуумного ФЭУ и используемый для выработки триггерного сигнала, соответствующего регистрации электронов, прошедших перпендикулярно через исследуемый тайл и поглощенных в триггерном тайле (рис.12).

Результаты регистрации минимально ионизирующих частиц приведены на рис.13 и показывают принципиальную возможность применения Б1ФЭУ в тайловом адронном калориметре с прямым считыванием сцинтилляцион-ных тайлов. Для достижения максимальной эффективности регистрации минимально ионизирующей частицы необходимо использование компактного корпуса для Si®3y и установки его непосредственно внутрь сцинтил-лятора.

В астрофизике для изучения гамма-квантов сверхвысоких энергий используется так называемая «атмосферная черенков-ская методика». Следует отметить, что диапазон энергий от десятков ГэВ до ~1 ТэВ является наименее изученным в гамма-астрономии, поскольку при этих энергиях эффективность космических методов наблюдений существенно падает, а чувствительность наземных Че-ренковских телескопов недостаточна для надежной идентификации первичных гамма-квантов (первичный гамма-квант производит в среднем 500 шт/ГэВ фотонов в диапазоне от 300 до 600hm, большая часть из которых рассеивается или поглощается в атмосфере).

Эксперимент MAGIC (Major Atmospheric Gamma Imaging Cerenkov Telescope) - это самая большая в мире наземная атмосферная черенковская телескопическая система, состоящая из 2 телескопов MAGIC I и MAGIC II с зеркалами диаметром 17 м. MAGIC имеет самый низкий порог по энергии гамма-квантов в мире около 20 ГэВ.

Рис.13. Регистрация минимально ионизирующих частиц сборкой сцинтилляцион-ный тайл-81ФЭУ. Прямое считывание тайла.

Одна из наиболее важных частей Черенковского телескопа - это фото-детектирующая камера. В качестве фотодетекторов в MAGIC II использу-

______ются вакуумные ФЭУ с кван-

■л! товой эффективностью -34%.

Однако увеличение эффективности регистрации света фотодетектора возможно позволит еще понизить порог по энергии.

Для замены в эксперименте MAGIC обычных фо го-И электронных умножителей на ___кремниевые Si<l>')V был раз-

"' ^ стоит из концентратора света

3x3 мм2, собранных в виде матрицы 2x2, двухкаскадного элемента Пельте и специальной быстрой электроники (рис. 146).

Предусилитель-формирователь обеспечивает формирование выходного импульса с Si ФЭУ с длительностью фронта по уровню 0.1-0.9 менее 1 не, с шириной на полувысоте не более 2.4 не (рис.14в). Это позволяет разделить импульсы, следующие друг за другом через 3 не. Элемент Пельтье позволяет охладить Si®3y до -30С при работе модуля при комнатной температуре. Такая температура достаточна для уменьшения темновых шумов сборки Б1ФЭУ ниже уровня шума ночного неба в эксперименте MAGIC.

Время, не

Рис.14. Охлаждаемый модуль для регистрации гамма-квантов(а), пре-дусилитель-формирователь(б), од-ноячеечный сигнал с 8!ФЭУ (в).

В заключении приведены основные результаты работы:

1. Определены требования к геометрическим и электрофизическим параметрам входного окна SiSOY для обеспечения максимальной эффективности регистрации синего и ультрафиолетового света.

2. Разработана структура и оптимизированы толщины слоев просветляющего покрытия фоточувствительной поверхности Si<&3Y, позволяющее в несколько раз увеличить пропускание синего и ультрафиолетового света внутрь кремниевой структуры Si<&3Y.

3. Показано, что для обеспечения независимости ячеек Si4>3Y друг от друга, детектор должен обладать комплексной защитой от оптической связи, состоящей из V-образных канавок между ячейками, второго р-п-перехода, отделяющего активную область Si®3Y от подложки и области с повышенным поглощением света, расположенной в объеме и/или на поверхности обратной стороны кристалла Si<&3Y.

4. Изготовлена партия образцов Si®3Y, обладающих рекордной эффективностью > 50% при регистрации света (350 - 450 нм), и одновременно низким уровнем оптической связи 3-6%.

5. Создан и экспериментально исследован на тестовых пучках DESY, CERN и FNAL прототип тайлового адронного калориметра нового типа на основе Sii>3Y для Международного линейного коллайдера. Прототип содержит 7620 Si<t>3Y и обеспечивает беспрецендентную гранулярность, что позволило впервые исследовать в деталях развитие адронных ливней. Энергетическое разрешение для адронов составляет 45%/\'Е(ГэВ).

6. Показано, что Si<X>3Y может быть использован в качестве детектора для прямого считывания сцинтилляционного тайла в адронном калориметре для ILC. Отсутствие спектросмещающего волокна существенно упрощает и удешевляет конструкцию сборки тайл-Si<B3Y.

7. Спроектирован и изготовлен прототип модуля для эксперимента MAGIC, содержащий охлаждаемую матрицу из 4 штук Si<£>3Y и специально разработанную быструю аналоговую электронику, обеспечивающую формирование импульсов Si<E>3Y с длительностью 2.4 не на полувысоте.

Результаты исследований опубликованы в следующих основных работах:

1. Е.В.Попова, П.Ж.Бужан, et al. Твердотельный электронный умножитель многоцелевого назначения на основе гейгеровских микроячеек И Прикладная физика, 2003, т.2, с.123-127.

2. E. Popova., B. Dolgoshein, et al. Prospects of using silicon photomultipliers for the astroparticle physics experiments EUSO and MAGIC // IEEE Trans. Nucl. Sci., 2006, v. 53(2), p. 636-640.

3. P. Buzhan, B. Dolgoshein, et al. Large area silicon photomultipliers: Performance and applications // Nucl.Instr.Meth.Phys.Res. A567 Issue 1

(2006), p. 78-82.

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

5. E. Popova, V.Balagura, et al. Study of Scintillator Strip with Wavelength Shifting Fiber and Silicon Photomultiplier // Nucl.Instr.Meth.Phys.Res. A564 (2006) 590-596

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

(2007) 493-494.

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

Подписано в печать 19.01.2012. Формат 60x84 1/16. Объем 1,5 п.л. Тираж 100 экз. Заказ № 363. Типография НИЯУ МИФИ. 115409, г. Москва, Каширское ш., 31

61 12-1/599

Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

Разработка кремниевого фотоумножителя для применения в астрофизике и физике высоких энергий.

01.04.01 - приборы и методы экспериментальной физики.

диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-

математических наук

На правах рукописи

Попова Елена Викторовна

Автор:

Научный руководитель:

Кандидат физико-математических наук

Ю.Б.Гуров

Москва, 2011

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение.................................................................................3

Глава 1. Детекторы света слабой интенсивности................................9

1.1 Вакуумные фотоэлектронные умножители...................................9

1.2 Полупроводниковые детекторы................................................14

1.2.1 Детекторы с отрицательной обратной связью............................17

1.2.2 Гейгеровские фотодиоды.......................................................18

1.2.3 Кремниевые фотоумножители.................................................20

Глава 2. Оптическая связь в 81ФЭУ.................................................30

2.1 Влияние оптической связи на характеристики БЮЭУ..................32

2.2 Возможные способы подавления оптической связи. Исследование тестовых структур с различными способами

подавления оптической связи..........................................................40

Глава 3. Моделирование чувствительного к ультрафиолету 81ФЭУ.......52

3.1 Гейгеровская эффективность 8ЮЭУ............................................54

3.2 Квантовая эффективность 81ФЭУ.............................................60

3.3 Моделирование технологического маршрута изготовления 81ФЭУ .. .73 Глава 4. Экспериментальное исследование чувствительных

к ультрафиолету образцов 81ФЭУ с подавлением

оптической связи.......................................................................78

4.1 Характеристики 81ФЭУ...........................................................78

4.2. Тайловый адронный калориметр для Международного

линейного коллайдера...............................................................86

4.2.1 Требования к Si03Y для применения в тайловом

адронном калориметре...............................................................92

4.2.2 Детектирующий элемент на основе прямого

считывания сцинтилляционного тайла...........................................94

4.3. Гамма-астрономия и эксперимент MAGIC (Major Atmospheric Gamma Imaging Cerenkov Telescope)............................................ 99

4.3.1. Требования к Si03Y для применения в эксперименте MAGIC... . 104

4.3.2. Прототип охлаждаемого модуля для эксперимента MAGIC........108

4.4. Обсуждение результатов......................................................110

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.......................................................................112

ЛИТЕРАТУРА......................................................................114

ВВЕДЕНИЕ.

Для регистрации импульсного оптического излучения малой интенсивности используются различные типы фотодетекторов - приборов, преобразующих энергию фотонов в электрический сигнал. Однако для регистрации ультраслабых потоков - на уровне одиночных фотонов -наиболее широкое распространение получили вакуумные фотоэлектронные умножители - ФЭУ [1]. Эти приборы постоянно совершенствуются, эффективность преобразования излучения в современных конструкциях ФЭУ достигает 45%, спектральный диапазон чувствительности расширяется [2].

Основными недостатками, которые препятствуют использованию ФЭУ в некоторых конкретных применениях, являются большие размеры, высокое напряжение питания и чувствительность к магнитным полям.

Эти недостатки ФЭУ стали причиной активной разработки твёрдотельных приборов на основе полупроводниковых материалов, использующих явление внутреннего фотоэффекта.

Полупроводниковые приборы с внутренним усилением заряда, обусловленным ударной ионизацией — лавинные фотодиоды (ЛФД), были разработаны более 50 лет назад [3]. Достоинствами ЛФД являются их высокое быстродействие, высокая квантовая эффективность (до 90 %) и широкий динамический диапазон. Промышленные образцы кремниевых ЛФД, работающие в пропорциональном режиме, имеют коэффициент усиления - порядка 10 , использование специальных технологий позволяет изготавливать ЛФД с коэффициентом усиления до

-10" [4]. При

таком

коэффициенте усиления сигнал от одиночного фотоэлектрона уже мог бы превысить уровень шумов усилителя, однако флуктуации коэффициента умножения в ЛФД не позволяют зарегистрировать световые импульсы, содержащие менее 20-50 фотонов при комнатной температуре [5].

Таким образом, назрела необходимость в появлении дешевого и простого в изготовлении и в эксплуатации полупроводникового детектора, позволяющего с высокой эффективностью и амплитудным разрешением регистрировать одиночные фотоны.

Первые прототипы таких детекторов появились в России в конце 80-х годов 20 века [6, 7, 8], однако принцип их работы был неясен и эффективность регистрации света низка. В 90-х годах появилось понимание физических принципов работы этих приборов и, в результате, были заложены теоретические основы создания нового класса твёрдотельных фотодетекторов, основанных на совокупности объединенных на общей подложке гейгеровских микросчетчиков [9, 10]. Такой тип приборов будем далее обозначать как кремниевые фотоэлектронные умножители (Si<P3Y). В 1992 году в разработку Si<J>3Y включилась кафедра физики элементарных частиц Московского инженерно-физического института.

В настоящее время в мире все больше научных институтов и коммерческих фирм разрабатывают аналоги Si03Y, достигая для отдельных параметров рекордных значений. Лучшими результатами на текущий момент являются эффективность регистрации синего света, полученная на аналогах Si<D3Y, изготовленных японской фирмой Hamamatsu Photonics и равная примерно 40% (оптическая связь при этом 30-40%) [11, 12] и величина оптической связи на детекторах, произведенных фирмой STMicroelectronics, равная нескольким процентам (для эффективности регистрации света 16%)[13].

Однако основной проблемой является создание детектора с максимально возможной эффективностью детектирования света, особенно синего и ультрафиолетового диапазона, регистрация которого требуется в ряде крупных физических экспериментов, одновременно с минимальным уровнем оптической связи между элементами (ячейками) Si03Y.

Эти два требования при разработке конструкции Si03Y оказываются противоречащими друг другу. Необходимо заметить, что величина оптической связи определяет шум-фактор Si03Y [14], а точность определения энергии регистрируемых частиц или предельная обнаружительная способность фотоприемника тем лучше, чем выше эффективность регистрации света и меньше шум-фактор.

К 2003 году в результате совместной работы специалистов МИФИ -ФГУП НИИ Пульсар были достигнуты следующие параметры Si03Y:

• Площадь чувствительной поверхности - 1x1мм2;

• Максимум спектральной чувствительности 490 нм

• Эффективность регистрации света 8мах 10-12%

• Скорость темнового счета 1-3 МГц

• Связь между ячейками -30%

Целью данной работы являлись разработка конструкции и технологии изготовления Si03Y большой площади, с высокой чувствительностью к синему и ультрафиолетовому свету и минимальной оптической связью для использования в экспериментах физики высоких энергий и астрофизики. Для достижения поставленной цели необходимо было:

1. Разработать конструкцию Si<D3Y для регистрации синего и ультрафиолетового излучения, оптимизировать технологический маршрут при помощи компьютерного моделирования с использованием САПР ISE TCAD, изготовить партию и провести изучение характеристик Si03Y;

2. Разработать методику измерения оптической связи между элементами Si<D3Y;

3. Разработать способы подавления оптической связи между элементами Si<D3Y;

4. Разработать конструкцию и изготовить прототипы на основе Si<D3Y для использования в качестве детектирующего элемента в тайловом адронном

калориметре будущего Международного Линейного коллайдера (ILC) и в эксперименте MAGIC.

Научная новизна работы:

1. Определены причины возникновения взаимосвязи между элементами Si<J>3Y за счет вторичного оптического излучения при гейгеровском срабатывании ячейки;

2. Предложены новые методы подавления оптической связи, основанные на создании:

• второго р-п-перехода, разделяющего между собой фоточувствительный

слой и подложку Si03Y;

• областей повышенного поглощения света на обратной стороне и/или в

объеме подложки Si<D3Y;

3. Изготовлены Si<D3Y с эффективностью регистрации света синего и ультрафиолетового диапазона более 50% и обладающие одновременно взаимосвязью между ячейками на уровне 3-6%, что позволило создать детектор фотонов с шум-фактором, практически равным 1.

4. Создан многоканальный прототип адронного калориметра на основе Si03Y для будущего ILC и впервые получена информация о внутренней структуре адронных ливней.

Практическая ценность работы состоит в том, что в результате исследований получены кремниевые фотодетекторы, которые используются в экспериментальных физических установках, а также могут быть применены в медицинских и инженерных приложениях. Автор защищает:

1. Методы подавления оптической связи в кремниевых фотоэлектронных умножителях;

2. Методику моделирования Si03Y для регистрации синего и ультрафиолетового света с использованием приборно-технологической САПР ISE TCAD;

3. Детектирующий элемент на основе Si03Y, созданный для тайлового адронного калориметра ILC;

4. Охлаждаемый модуль на основе матрицы из Si03Y для использования в эксперименте MAGIC.

Результаты исследований, положенные в основу диссертации, представлялись и обсуждались на 4th International coference on New Developments in Photodetection (Beaune 2005), международных совещаниях по детектированию света слабой интенсивности, проводимых институтом Макса Планка по Физике (Мюнхен) LIGHT06 (Израиль 2006) и LIGHT07 (Мюнхен 2007), на Научной сессии МИФИ-2007 и 2008, International Workshop on New Photon Detectors (Япония, Shinshu University, 2009), International conference on imaging techniques in subatomic physics, astrophysics, medicine, biology and industry (Стокгольм 2010), Industry-academia matching event on SiPM and related technologies (CERN 2011).

Получен патент Российской Федерации №2290721 "Кремниевый фотоэлектронный умножитель (варианты) и ячейка для кремниевого фотоэлектронного умножителя» от 27/12/2006.

В диссертации обобщены результаты работ, выполненных автором в 2003-2011 годах. Основные результаты изложены в 7 публикациях [43, 50, 52, 53, 66, 89, 90].

Достоверность и обоснованность основных научных положений и выводов диссертационной работы определяются практическим использованием созданных детекторов, сравнением результатов измерений настоящей работы с опубликованными в литературе сопоставимыми данными других авторов и использованием для измерений современной

высокоточной электроники и программного обеспечения, публикацией результатов в печати и апробацией на научных конференциях и семинарах.

Автор осуществлял компьютерное моделирование и участвовал в разработке технологии производства Si<D3Y, контролировал изготовление детекторов в Технологическом центре МИЭТ, принимал участие в измерении характеристик образцов Si<E>3Y, в создании и тестировании прототипа калориметра в CERN и обсуждении результатов измерений. Поповой Е.В. принадлежит определяющая роль в создании прототипа охлаждаемого модуля для использования в эксперименте MAGIC.

Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения. Содержит 90 страниц печатного текста, 42 рисунка, 4 таблицы и список литературы из 91 наименования. Полный объем 123 страницы.

ГЛАВА 1

Детекторы света слабой интенсивности

Перед рассмотрением непосредственно принципа работы, устройства и характеристик 81ФЭУ необходимо определить его место среди уже достаточно давно известных фотодетекторов. Для этого рассмотрим такие фотодиоды как вакуумные фотоумножители и РШ-фотодиоды, лавинные и гейгеровские фотодиоды и МРП (металл-резистор-полупроводник) структуры и их применение в экспериментах физики высоких энергий [15].

1.1 .Вакуумные фотоэлектронные умножители

Для регистрации слабых световых сигналов чрезвычайно перспективным оказался изобретенный в 1930г. Л.А.Кубецким "многоэлементный электронный прибор", в котором в одном вакуумном баллоне был размещён фотокатод и группа электродов, называемых динодами, обеспечивающих усиление первичного потока фотоэлектронов за счёт использования эффекта вторичной эмиссии. Впоследствии такой прибор получил название фотоэлектронного умножителя (ФЭУ). Физические процессы, связанные с вторичной эмиссией, во многом схожи с фотоэмиссией. Основное различие заключается в том, что эмиссию, в данном случае, вызывает ударная ионизация при взаимодействии электронов твёрдого тела с первичными электронами, а не с фотонами [16].

Усиление ФЭУ М определяется как отношение анодного тока 1а к фототоку катода 1к :

Отношение среднего числа эмитируемых вторичных электронов к числу первичных электронов, падающих на поверхность динода, называется коэффициентом вторичной эмиссии.8. Усиление ФЭУ можно найти как:

П

М- П 81 (1.1.1)

/=1

где §1 - коэффициент вторичной эмиссии ьго динода, п - количество

5 7

динодов. Усиление ФЭУ достигает значений 10 - 10 , что вполне достаточно для регистрации одиночных фотонов.

Процесс вторичной эмиссии является случайным, поэтому и значение усиления ФЭУ - случайная величина, обладающая определенным разбросом.

Относительная дисперсия коэффициента усиления ФЭУ с динодной структурой у(М):

Где, г(8„) - относительная дисперсия коэффициента вторичной эмиссии 5П.

Из формулы 1.1.2. следует, что основной вклад в дисперсию усиления ФЭУ вносит дисперсия первого динода.

Если все диноды одинаковы, можно показать, что:

о — 1

В реальных ФЭУ разброс коэффициента усиления определяется не только статистическими флуктуациями умножения, но и процессами, связанными с оптической и ионными обратными связями и т.п., поэтому для характеристики усиления часто используют такую характеристику, как шум-фактор ЕМ7:

<М > 9 (1ЛЗ)

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

среднее квадрата коэффициента усиления ФЭУ.

По определению дисперсии Э случайной величины (например, М):

О =< М2 > (1.1.4)

Тогда используя 1.1.3 и 1.1.4 можно записать, что

ЕЫР = \ + у(М)9

Поскольку Б=ст2, где ст - среднеквадратичное отклонение, то шум фактор можно записать как:

2

ЕШ=\+

< Мх >2 ' (1Л-5)'

где величины <71 и <М]> относятся к распределению, связанному с усиленными сигналами от одиночных фотоэлектронов, выбитых из фотокатода. Они могут быть найдены из, так называемого, одноэлектронного спектра [19]. Пример спектра приведен на рис. 1.1. Для корректного определения Ст1 и <М1> число «нулевых» событий в спектре должно быть не менее 90%.

Второй способ экспериментального определения шум-фактора связан с измерениями токов фотокатода 1к и анода 1а. В этом случае Е№ определяется как

2

ои,

1- 1.1.6

ENF = ^output а ■

input

Где CTinpUt -относительное стандартное отклонение сигнала до усиления, «^output - после и соответственно равен

Рис.1.1 Одноэлектронный спектр ФЭУ

ШР =ижы

П10{1а) ■

Здесь Б(1к) и 0(1а) - дисперсии катодного и анодного токов соответственно. Отношение в числителе рассчитывается по формуле дробового эффекта тока фотокатода, в знаменателе - измеряется экспериментально.

При регистрации фотодетектором световой вспышки часто возникает вопрос об определении среднего количества фотоэлектронов, соответствующих этой вспышке.

Для вакуумных фотоумножителей распространены 2 способа такой оценки: по ширине амплитудного распределения сигналов с ФЭУ (в случае флуктуации светового источника по закону Пуассона) и по отношению средней амплитуды сигналов к средней амплитуде одноэлектронного импульса [17]. Применение этих способов часто вызывает определенные трудности, поскольку и в одном и в другом случае ФЭУ должен обладать хорошим одноэлектронным разрешением и малым шум-фактором.

Шум-фактор приводит к получению амплитудных распределений более широких, чем статистические флуктуации регистрируемого светового сигнала. Если регистрируемый световой сигнал подчиняется пуассоновской статистике, то для того, чтобы оценить количество фотоэлектронов КрЬе^ во вспышке, необходимо воспользоваться формулой:

КрНе „=(—(1.1.7)

<7

Где А- среднее значение, а ст-стандартное отклонение амплитудного распределения сигналов с ФЭУ.

Точность определения шум-фактора влияет на точность определения количества фотоэлектронов и, в конечном итоге, фотонов.

Значения шум-факторов ФЭУ, обладающих одноэлектронным спектром, лежат в пределах 1.15-1.4.

ФЭУ широко используются в различных физических экспериментах, например, в калориметрах, RICH (Ring Image Cherenkov counter)- и DIRC (Detection of Internally reflected Cherenkov Hght)-fleTeKTOpax и трековых детекторах [20, 21, 22, 23].

Однако большое количество современных и планируемых в будущем экспериментов имеют высокое магнитное поле, поэтому для работы в таких условиях приходится находить замену вакуумным ФЭУ.

Еще одним аспектом является высокая стоимость ФЭУ, поскольку до настоящего времени сборка ФЭУ производится вручную. Стоимость канала детектирования ограничивает возможную гранулярность детектирующей системы, что для ряда экспериментов имеет определяющее значение [24].

1.2.Полупроводниковые детекторы

Всё многообразие полупроводниковых детекторов фотонов можно разделить на две большие группы:

• фотодетект�