Fraunhofer IZM изготовил демонстратор 3D-диода с кремниевыми сотами для опытов по массе нейтрино

Исследователи Fraunhofer IZM и Мюнстерского университета разработали технологию изготовления на целой пластине «3D-диода — фильтра энергии», сообщает Interesting Engineering. Кремниевый прибор несёт сотовый рисунок из ямок глубиной 250 микрометров. Он предназначен для того, чтобы отличать сигнальные электроны от фоновых по углу падения interestingengineering.comInteresting Engineeringinterestingengineering.comОткрыть источник ↗. Диод остаётся демонстратором, а не готовым детектором interestingengineering.comInteresting Engineeringinterestingengineering.comОткрыть источник ↗.

Почему важен угол падения

Прибор измеряет энергию частицы и угол, под которым она попадает в детектор. В экспериментах вроде KATRIN (Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment) учёные изучают тонкую структуру энергетического спектра бета-распада трития, чтобы определить массу нейтрино interestingengineering.comInteresting Engineeringinterestingengineering.comОткрыть источник ↗. Измерению мешает фон: «самозванцы»-электроны достигают детектора почти с той же кинетической энергией, что и сигнальные interestingengineering.comInteresting Engineeringinterestingengineering.comОткрыть источник ↗.

Отличаются они геометрией. Фоновые электроны обычно приходят под малыми углами, менее десяти градусов, а сигнальные входят под углами до 50 градусов interestingengineering.comInteresting Engineeringinterestingengineering.comОткрыть источник ↗. Обычные детекторы, работающие в сильных магнитных полях и сверхвысоком вакууме, эту разницу не различают interestingengineering.comInteresting Engineeringinterestingengineering.comОткрыть источник ↗.

В новом Si-PIN-диоде сигнальные электроны, летящие под большим углом, попадают на активные боковые стенки шестигранных ямок и дают сигнал. Фоновые электроны под малым углом проходят к неактивному дну ямки interestingengineering.comInteresting Engineeringinterestingengineering.comОткрыть источник ↗. Компьютерное моделирование показывает, что такая архитектура может снизить фон в три–пять раз interestingengineering.comInteresting Engineeringinterestingengineering.comОткрыть источник ↗.

Этапы изготовления

Первые пластины для детекторов имели 24-гранную форму, не подходящую для стандартного 200-миллиметрового оборудования чистых комнат. Инженеры Fraunhofer IZM временно приклеили нестандартные пластины воском к стандартным 200-мм носителям interestingengineering.comInteresting Engineeringinterestingengineering.comОткрыть источник ↗.

Глубокие почти вертикальные канавки вытравили методом глубокого реактивного ионного травления (DRIE). Команда подбирала давление, мощность плазмы и температуру пластины, чтобы устранить структурные дефекты, известные как «кремниевая трава» interestingengineering.comInteresting Engineeringinterestingengineering.comОткрыть источник ↗.

Последним этапом стала пассивация боковых стенок глубиной 250 микрометров. Стандартное термическое окисление разрушило бы металлические слои, уже нанесённые на диод, поэтому применили плазмохимическое осаждение из газовой фазы (PECVD) при 175 градусах Цельсия. Верхние, средние и нижние участки стенок покрыли изолирующим диоксидом кремния, чтобы подавить тёмновые токи interestingengineering.comInteresting Engineeringinterestingengineering.comОткрыть источник ↗.

Новые пластины сейчас проходят тестовые измерения в Мюнстерском университете. Авторы отметили, что диод ещё не готов к применению, но разработанная технология и результаты первого демонстратора дают основу для доработки архитектуры и экспериментального изучения детектирования частиц с учётом угла interestingengineering.comInteresting Engineeringinterestingengineering.comОткрыть источник ↗.