Введение к работе
Актуальность работы. Эра цифровых технологий активно вошла в такие сферы деятельности человека как медицина, промышленность, безопасность, научные исследования и многие другие, где активно используются системы рентгеновского контроля. Преимущество цифровых полупроводниковых детекторов, в сравнении с аналоговыми сенсорами, на сегодняшний день не вызывает сомнений, поскольку их использование позволяет снизить дозы облучения, а современные информационные технологии предоставляют гибкие условия для получения, обработки, представления, передачи и хранения электронной информации, значительно улучшая диагностические возможности системы.
Внедрение цифровых технологий особенно актуально в медицинских учреждениях России, где парк рентгенографических аппаратов изношен на 70% [1]. Оснащение медицинских учреждений зарубежными аппаратами является дорогостоящим занятием. Поэтому разработка отечественных цифровых детекторов для систем рентгеновского контроля является крайне важной задачей.
Проблема разработки цифровых полупроводниковых сенсоров состоит в том, что самый популярный материал - кремний не находит здесь широкого применения из-за его низких чувствительности к'рентгеновскому излучению и радиационной стойкости. Для регистрации излучения используют специальный конверсионный слой из сцинтиллятора, преобразующий рентгеновские кванты в фотоны видимого диапазона, которые регистрируются кремниевыми фотодиодами. При этом имеет место значительная потеря и размытие сигнала при его двойном преобразовании. Решение проблемы состоит в использовании новых материалов, способных непосредственно регистрировать ионизирующее излучение.
Одним из перспективных материалов является полуизолирующий арсенид галлия, способный работать при комнатных температурах и обладающий на порядок большими значениями коэффициентов поглощения рентгеновского излучения, чем кремний. Работы по созданию таких детекторов ведутся уже в течение пятнадцати лет в ведущих лабораториях мира [2,3]. Главной проблемой при разработке детекторов па арсенидс галлия является невозможность создания детекторного материала с низким содержанием примесей. Традиционно детекторы строятся на компенсирован-
ном глубокими ЕЬ2-центрами материале (LEC SI-GaAs), который характеризуется малыми временами жизни электронов, связанными с захватом на глубокие EL2* ловушки электронов. Это в конечном итоге, приводит к появлению повышенных темповых токов п активной области, неоднородному распределению электрического поля, пробойным явлениям, резко ограничивающим эффективную толщину прибора.
Прогресс за последние десять лет в создании детекторного материала связан с работами томской научной школы под руководством Толбаиова О.П., профессора Томского государственного университета. Был создан компенсированный хромом полуизолирующий арсен ид галлия (SI-GaAs:Cr) с высоким временем жизни электронов, в котором отсутствуют вышеперечисленные недостатки LEC SI-GaAs структур. Отличительной особенностью Sf-GaAs.Cr является асимметрия дрейфовых длин электронов и дырок. Эта особенность структур требует детального анализа физических процессов, происходящих в активной области, и создание специальных оптимизированных конструкций и технологий формирования детекторов.
Актуальность темы диссертационной работы обусловлена необходимостью создания координатных детекторов с прямым преобразованием энергии кванта в электрический заряд, для чего нужно провести комплексные исследования по выяснению физики работы арсенидогаллиевых детекторов и разработки оптимизированных конструкций приборов и их технологии на основе SI-GaAs:Cr структур различных модификаций.
Целью диссертационной работы является исследование физических явлений и технологических факторов, влияющих на работу и характеристики детекторов и создание оптимизированных конструкций и технологий изготовления координатных детекторов на арсениде галлия.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
1. Провести экспериментальные исследования токопереноса в детекторных структурах на основе полуизолирющего арсенида галлия, построить модели соответствующих процессов и разработать методики для определения основных характеристик материала, предназначенного для координатных детекторов.
Выполнить комплекс экспериментальных и теоретических исследований по оптимизации конструкций детектора, разработать конструкции координатных детекторов для рентгеновских аппаратов различного назначения (маммографии, флюорографии и т.д.)
Разработать новые технологические маршруты для реализации детекторов и выяснить влияние различных технологических факторов на параметры детектора. Исследовать возможности снижения паразитных токов в детекторах и разработать технологические методы создания приборов с оптимизированными характеристиками, стабильными во времени.
Провести экспериментальные исследования предельных эксплуатационных характеристик созданных модификаций квантово-чувствительных координатных детекторов, обосновать области их предполагаемого использования.
Методы исследования
При изучении свойств полупроводникового материала использовались измерения, основанные на эффекте Холла, электрические зондовые измерения, измерение вольт-фарадных характеристик, фотоэлектрические, и другие методы. Проводилось изучение вольт-амперных характеристик детекторов при импульсном и непрерывном питании. Изучались характеристики приборов при сканировании рабочих областей оптическим излучением и гамма-квантами. Исследовались амплитудные спектры от воздействия гамма-квантов и элементарных частиц.
Научная новизна
Впервые показано, что вольтамперная характеристика ОаА5(Сг)-детектора на начальном участке не является линейной, а удельное сопротивление, найденное из анализа ВАХ прибора, может в несколько раз превосходить сопротивление материала.
Предложена модель механизма протекания темпового тока в детекторах на основе арсенида галлия, компенсированном хромом, учитывающая инжекцию дырок из анода в активную область. Отличительной особенностью является то, что зависимость тока дырок ограниченного пространственным зарядом от напряжения является не квадратичной, а линейной.
Установлено, что изменение зарядового состояния ловушек в объеме детектора, например, при подсветке прибора излучением с различной длиной волны, деформирует электрическое поле в структуре и определяет преимущественный механизм протекания тока детектора.
Разработан оригинальный экспресс-метод неразрушающего контроля параметров детекторных структур на основе полуизолирующего материала, позволяющий определить важнейшие характеристики материала и параметры приборов, знание которых необходимо при производстве детекторов.
Предложены принципы конструирования координатных детекторов на основе GaAs(Cr) структур с заданными характеристиками и технологические способы изготовления детекторов для различных областей применения; новизна приборов и методов их создания подтверждена двумя патентами России.
Практическая значимость работы
Разработана и внедрена в ОАО «НИИПП» (г. Томск) установка измерения основных электрофизических характеристик детекторных структур на основе компенсированного арсенида галлия.
Разработаны линейки однокоординатных детекторов для модулей цифрового рентгеновского аппарата, созданного п ООО «РИД» (г. Томск).
Разработаны пиксельные детекторы для цифровой системы регистрации рентгеновских изображений, внедренной в Институте физики высоких энергий (ГНЦ ИФВЭ, г. Протвино).
В рамках международного проекта с участием «Объединенного института ядерных исследований» (г. Дубна) спроектирован и изготовлен матричный детектор для сэндвич-калориметра, который использован в экспериментах на ускорителе «DESY» (Дармштадт, Германия).
Научные положения, выносимые на защиту
1 Плотность темпового тока детекторных структур на основе компенсированного хромом арсенида галлия с металлическими контактами определяется монополярной инжекцией дырок из анодного контакта; линейная зависимость тока от напряжения, при средней напряженности электрического поля 0,5-10 кВ/см,
формируется в условиях протекания тока, ограниченного пространственным зарядом, с учётом захвата дырок на глубокие центры.
Облучение СаА$(Сг)-дстекторов ионизирующим излучением высокой интенсивности обуславливает деформацию распределения электрического поля, вследствие изменения заряда на ловушках: при облучении рентгеновскими квантами (с энергией больше 40 кэВ) провал напряженности электрического поля наблюдается у анода; в стационарном состоянии протекание тока в детекторе происходит в условиях режима тока, ограниченного пространственным зарядом, при сильном захвате носителей заряда на ловушки.
Вид амплитудного спектра рентгеновского ОаА$(Сг)-детектора можно изменить и за счет этого увеличить амплитуду выходного сигнала: а) для детектора из эпитаксиального материала, если облучать его под углом к поверхности катода (менее 10 градусов), б) для детектора из объемного материала, если направить рентгеновский пучок в торец детектора параллельно поверхности катода, и увеличить толщину рабочей области, закрыв часть торца детектора у анода.
Отжиг СаА5(Сг)-детектора с меза-структурой при температурах выше 350С и последующая выдержка на воздухе или в атмосфере кислорода приводит к значительному снижению и долговременной стабилизации поверхностных токов утечки независимо от типа газа (Н2, N, Не, Аг и т.д.), в атмосфере которого был проведен отжиг.
Апробация результатов работы
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: Международная школа-семинар молодых ученых «Современные проблемы физики, технологии и инновационного развития» (Томск, 2004 г.), International Workshops and Tutorials on Electron Devices and Materials "EDM - 2005" (Erlagol, 2005), IEEE International Siberian Conference on Control and Communications «SIBCON-2005» (Tomsk, 2005), The 9th Korean-Russian lnernational Symposium on Science and Technology «KORUS2005» (Novosibirsk, 2005), Международная школа-семинар молодых ученых «Современные проблемы физики, технологии и инновационного развития» (Томск, 2005г.), 3-я Всероссийская конференция молодых ученых «Фундаментальные проблемы новых технологий в 3-м тысячелетии» (Томск, 2006 г.), Девятая междуна-
родная конференция «Лрсенид галлия и полупроводниковые соединения группы III -V. GaAs - 2006» (Томск, 2006 г.), International Workshops and Tutorials on Electron Devices and Materials "EDM - 2006" (Erlagol, 2006), IEEE International Siberian Conference on Control and Communications «SIBCON-2007» (Tomsk, 2007), 2-я Международная научно-практическая конференция «Актуальные проблемы радиофизики - АПР-2008» (Томск, 2008г.). Кроме того, результаты работы прошли конкурсный отбор по программам: Всероссийский конкурсный отбор инновационных проектов аспирантов и студентов по приоритетному направлению «Безопасность и противодействие терроризму» в рамках Федеральной целевой научно-технической программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники» (Барнаул, 2005 г.), Выполнение научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по приоритетным направлениям развития науки и техники с участием победителей программы «Участник молодежного научно-инновационного конкурса (УМНИК-06)», проводимой при поддержке Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере.
Публикации
Основное содержание диссертации опубликовано в 30 работах, являющихся частью списка литературы, цитируемого в диссертации, в том числе - 9 статьях в рецензируемых журналах, 2 патентах на изобретение.
Личный вклад автора
Диссертационная работа является результатом исследований автора, проводившихся в тесном согрудничестве с коллегами из ОАО «НИИПП», ОСП «СФТИ ТГУ» и других организаций. Формулировка целей и задач исследования, выбор путей их решения, обсуждение полученных результатов выполнены автором совместно с научным руководителем. Лично автором предложены физические модели, выполнены теоретические расчеты и обоснование физических моделей, подготовлены и проведены экспериментальные исследования, выполнены измерения ряда характеристик приборов и обработка экспериментальных результатов.
Структура и объём диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и четырех приложений. Объём работы составляет 161 страниц машинописного текста, включая 132 рисунка, 140 ссылок на литературные источники.
