Введение к работе
Актуальность темы. Развитие микроэлектроники привело к внедрению информационных систем в каждую отрасль науки и техники. Так, аналоговые системы обнаружения рентгеновского и гамма-излучений (изображение на рентгеновской пленке) были заменены цифровыми детекторами, сигнал с которых поступает на персональный компьютер. Информацию в цифровом виде можно хранить, пересылать, обрабатывать. Наиболее чувствительными системами считаются приборы на основе полупроводниковых материалов [1, 2]. Основные преимущества цифровых полупроводниковых детекторов перед аналоговыми детекторами заключаются в отсутствии необходимости правильного выбора экспозиции, что положительно сказывается на контрасте и качестве изображения; меньшей дозовой нагрузке на пациента; возможности работать в режиме реального масштаба времени. К недостаткам цифровых детекторов с электрическим считыванием можно отнести в десятки-сотни раз худшее пространственное разрешение (минимальная величина различаемого объекта). Это связано с тем, что для аналоговых приборов единичный чувствительный элемент, дающий вклад в общую картину, связан с размером светоизлучающих частиц; а для цифровых - с размерами единичного элемента микроэлектроники (матричного элемента, пикселя). Значительную трудность для детекторов большого формата представляет сложность практического изготовления системы считывания, обеспечивающей мгновенную обработку информации с огромного числа пикселей.
В настоящее время существует несколько направлений решения
указанной проблемы. Одним из наиболее перспективных решений является
разработка полупроводниковых детекторов с оптическим выводом
информации. Подобного типа устройства могут быть реализованы при
использовании систем фотопроводник-электролюминофор или
фотопроводник-жидкий кристалл. Каждая из систем имеет свои преимущества и недостатки. Сложность изготовления панелей жидкокристаллических ячеек и их соединения со слоем полупроводника сделала наиболее привлекательным, в рамках данной работы, использование слоев электролюминофора, нанесенных печатным способом на поверхность фотопроводника.
Интерес к преобразователям ионизирующих излучений с оптическим выводом информации возник сравнительно недавно, около десяти лет назад, хотя первые упоминания, о подобного рода устройствах, появились еще в
1961-1972 годах [3, 4, 5, 6]. Работа детекторов с оптическим выводом информации основана на перераспределении приложенного к структуре напряжения между слоями фотопроводника и электролюминофора во время облучения квантами с высокой энергией и увеличении падения напряжения на светоизлучающем слое. Когда напряжение достигает пороговых значений, в последнем начинается процесс лавинного размножения носителей заряда с последующей излучательной рекомбинацией.
Пространственное разрешение таких систем в 20-50 раз выше по сравнению с детекторами с электрическим выводом [7, 8].
Анализ литературных данных показал, что на данный момент исследования твердотельных преобразователей изображений ведутся на уровне научно-исследовательских работ [9, 10, 11, 12]. Недостаточно изучены процессы, протекающие в детекторах с оптическим выводом информации; не получены данные по изменению яркости свечения в зависимости от режимов возбуждения; отсутствует физическая модель, учитывающая параметры и особенности конкретных слоев фотопроводника и электролюминофора в твердотельном преобразователе изображений (ТПИ), позволяющая количественно интерпретировать экспериментальные данные, а также производить прогнозирование оптических характеристик устройств.
В данной работе исследованы свойства твердотельных преобразователей изображений на основе структур полуизолирующий арсенид галлия - сульфид цинка, проведено сравнение экспериментальных и теоретических данных. Выбор именно этого полупроводникового материала был сделан, исходя из того факта, что детекторы на основе GaAs обладают высокой чувствительностью и эффективностью регистрации квантов с энергией 16-60 кэВ. Выбор сульфида цинка в качестве люминесцирующего слоя определялся двумя причинами. Люминофоры на основе ZnS получили широкое распространение как хорошо изученный, дешевый и технологичный материал для создания люминесцентных источников света в сине-зеленой области излучения. Информация о создании в нашей стране и за рубежом детектора на основе GaAs, используемого в качестве чувствительного к ионизирующему излучению слоя, в комбинации со слоем цинксульфидного электролюминофора, отсутствует.
Цель работы: исследование физических закономерностей свечения системы фотопроводник-люминофор на основе структур GaAs-ZnS при воздействии ионизирующего излучения рентгеновского диапазона.
Задачами работы являлись:
а) исследование электрофизических и яркостных характеристик
экспериментальных образцов электролюминесцентных конденсаторов на
основе ZnS, легированного медью;
б) исследование влияния энергии квантов и мощности ионизирующего
излучения на фотопроводимость и чувствительность полупроводниковых
структур Me-GaAs-Me;
в) исследование фотоэлектрических характеристик и влияния
ионизирующего излучения рентгеновского диапазона на яркостные
характеристики твердотельного преобразователя изображений со структурой
GaAs-ZnS;
г) уточнение физической модели работы ТЛИ, сопоставление расчетных
и экспериментальных зависимостей яркости свечения от мощности
экспозиционной дозы, формы импульсов, частоты, амплитуды и полярности
напряжения.
В настоящее время в научно-технической литературе нет сообщений о проведении подобных исследований, и такая постановка задачи является полностью оригинальной.
Объекты исследования:
а) структуры Me-GaAs-Me трех типов:
-
на основе GaAs, компенсированного атомами хрома в процессе высокотемпературного отжига;
-
на основе GaAs, легированного атомами хрома в процессе роста;
-
на основе нелегированного GaAs, содержащего EL 2 центры.
б) электролюминесцентные конденсаторы (ЭЛК) трех типов:
-
конденсаторы на основе порошкообразного люминофора марки 3-515-115(220) ZnS:Cu,Al фирмы «Люминофор»;
-
ЭЛК на основе пасты марки 8154L ZnS:Си фирмы «DuPont Electronic Materials»;
3) ЭЛК, на основе пасты марки 8154L, содержащие слой
диэлектрика 8153 фирмы «DuPont Electronic Materials»;
в) твердотельные преобразователи изображений на основе GaAs-ZnS:Cu.
Положения, выносимые на защиту:
а) использование системы высокоомный GaAs и ZnS позволяет
производить преобразование рентгеновского излучения с энергией квантов 17-
140 кэВ и ИК-излучения с длиной волны < 940 нм в излучение видимого
диапазона;
б) яркость свечения твердотельных преобразователей изображений на
основе структур фотопроводник-люминофор при использовании в качестве
фотопроводника арсенида галлия, возрастает с увеличением времени жизни
неравновесных электронов, возбуждённых при поглощении рентгеновского
излучения, и с уменьшением темновой проводимости чувствительного слоя,
что обеспечивает более высокую чувствительность ТПИ для материала,
компенсированного атомами хрома в процессе высокотемпературного отжига;
в) при воздействии инфракрасного излучения с длиной волны < 940 нм и
рентгеновского излучения с энергией квантов 17-140 кэВ на структуры
фотопроводник-люминофор на основе GaAs:Cr-ZnS:Cu яркость свечения и
квантовая эффективность твердотельных преобразователей изображений
зависят от полярности приложенного напряжения, что определяется
неоднородной генерацией неравновесных электронно-дырочных пар при
воздействии ионизирующего излучения; квантовая эффективность ТПИ выше,
если область генерации неравновесных носителей смещается к катоду;
г) в структурах полуизолирующего GaAs и ZnS, легированного атомами
меди с массовой долей 0,2 %, при воздействии ионизирующего излучения и
подаче опорного гармонического сигнала или прямоугольных импульсов с
частотой 200-2000 Гц, амплитудой 50-250 В обнаружен рост яркости свечения
с повышением напряжения без выхода на насыщение, что объясняется
высокой концентрацией центров свечения в люминофоре.
Достоверность результатов и выдвигаемых на защиту научных положений обеспечивается использованием современной экспериментальной техники, классических или уже апробированных методик, воспроизводимостью экспериментальных данных. Измеренные значения яркости свечения электролюминесцентных конденсаторов соответствуют заявленным производителем люминофора значениям при указанных режимах возбуждения. Поведение экспериментально установленных закономерностей не противоречит современным представлениям о физико-химических процессах, протекающих в электролюминофорах и высокоомных полупроводниках, и согласуется с теоретическими расчетами.
Научная новизна заключается в том, что
а) показано, что система фотопроводник-люминофор на основе структур
GaAs:Cr-ZnS:Cu может быть использована для преобразования
рентгеновского излучения в излучение видимого диапазона;
б) впервые показано, что высокая яркость свечения ТЛИ со структурой
GaAs:Cr-ZnS:Cu обусловлена большими значениями времени жизни
неравновесных электронов, возбуждённых рентгеновским излучением в
фотопроводнике и низким значением темновой проводимости
чувствительного слоя из GaAs, компенсированного Сг в процессе
высокотемпературного отжига;
в) впервые установлено, что яркость свечения и квантовая эффективность
твердотельных преобразователей изображений на основе структур GaAs:Cr-
ZnS:Cu определяются в большей степени не глубиной модуляции
проводимости фотопроводника, а неоднородной генерацией неравновесных
электронно-дырочных пар при воздействии ионизирующего излучения.
Экспериментально показано, что квантовая эффективность ТЛИ выше, если
поглощение рентгеновских квантов в фотопроводнике преимущественно
происходит у катода.
Научная ценность. Совокупность полученных в работе результатов и сделанных выводов вносит вклад в описание физических процессов работы детекторов с оптическим выводом информации, проводимое в рамках фундаментальной научной проблемы - поиска новых структур и создания чувствительных малодозовых детекторов рентгеновского излучения с высоким пространственным разрешением.
Практическая значимость определяется, прежде всего, тем, что результаты проведенных исследований дополняют и углубляют сведения о методах создания и основных процессах работы детекторов рентгеновского излучения с оптическим выводом информации. А именно, в диссертации:
а) предложены конструкторско-технологические основы изготовления
твердотельных преобразователей изображения для детектирования
рентгеновского излучения: в качестве фотопроводника в ТПИ впервые
использованы резистивные структуры полуизолирующего арсенида галлия,
компенсированного атомами хрома в процессе высокотемпературного
диффузионного отжига;
б) изучены зависимости яркости свечения люминофора и качества
изображения ТПИ со структурой GaAs:Cr-ZnS:Cu от полярности, амплитуды,
частоты, формы импульсов опорного сигнала, а также вида и мощности ионизирующего излучения;
в) уточнена физическая модель ТЛИ, за счет учета электрофизических свойств фотопроводника и электролюминофора, что позволяет производить оценку свойств и характеристик твердотельных преобразователей изображения со структурой Me-GaAs:Cr-ZnS:Cu-Me в зависимости от энергии квантов (17 кэВ и 40 - 140 кэВ), мощности экспозиционной дозы рентгеновского излучения, полярности напряжения.
Практическая значимость подтверждена использованием результатов работы в научных исследованиях, выполненных в рамках федерально-целевой программы (Г.К. №П2137, Г.К. №14.740.11.0499) и программы «Участник Молодежного Научно-Инновационного Конкурса».
Личный вклад автора заключается в изготовлении ЭЛК печатным способом, проведении экспериментальных исследований яркостных, спектральных и электрических характеристик цинксульфидных электролюминофоров; изучении влияния рентгеновского и ИК-излучений на структуры Me-GaAs-Me; проведении моделирования яркости свечения твердотельного преобразователя изображения при воздействии ИК- и рентгеновского излучений, получении экспериментальных данных о работе твердотельных преобразователей изображений. Полученные результаты обсуждались с научным руководителем канд. физ.-мат. наук, доцентом ТГУ В.М. Калыгиной при консультировании заведующего лабораторией физики полупроводников СФТИ ТГУ А.В. Тяжевым, доктором физ.-мат. наук, профессором ТГУ О.П. Толбановым, доктором физ.-мат. наук, профессором ТГУ В.И Гаманом. Изготовление экспериментальных образцов Me-GaAs-Me выполнено коллективом научных сотрудников СФТИ ТГУ: В.А. Новиковым, Н.И. Кожиновой, Э.Г. Хамматовой, Г.С. Юговой, Д.Ю. Мокеевым, А.Н. Зарубиным, Ю.С. Петровой. Исследования фотопроводимости слоев GaAs выполнены совместно с заведующим лабораторией физики полупроводников СФТИ ТГУ А.В. Тяжевым, канд. физ.-мат. наук, старшим научным сотрудником ТГУ М.П. Якубеней, канд. физ.-мат. наук, старшим научным сотрудником Д.Л. Будницким. Нанесение люминесцентного слоя на пластины арсенида галлия исполнено в фирме «Оникс» г. Ярославль. Измерение характеристик ТПИ при воздействии ИК-излучения проведено при участии аспиранта ТГУ О.Ю. Маджидова.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на 10-й и 11-й Российских научных студенческих конференциях «Физика твердого тела» (г. Томск 2006 г., 2008 г.), 2-й и 5-й Международных научно-практических конференциях «Актуальные проблемы радиофизики» (г. Томск, 2008 г., 2013 г.), 3-й и 4-й Конференциях студенческого научно-исследовательского инкубатора (г. Томск 2007 г.), 14-й Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (г. Томск 2008 г.), 3-й (35-й) Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Образование, наука, инновации - вклад молодых исследователей» (г. Кемерово 2008 г.), 46-й Международной научной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс» (г. Новосибирск 2008 г.), 6-й Международной конференции «Аморфные и микрокристаллические полупроводники» (г. Санкт-Петербург 2008 г.), Международной IEEE сибирской конференции по управлению и связи (SIBCON-2009) (г. Томск, 2009 г.), Международной заочной научно-практической конференции «Инновации в современном мире» (г. Новосибирск, 2011 г.), 28-м Международном семинаре МНТЦ «Современные материалы и их применение» «Advanced Materials and Application» (г. Ульсан, Республика Корея, 2012 г.), Международной молодежной научной школе «Актуальные проблемы радиофизики» (г. Томск, 2012 г.).
Публикации. У соискателя ученой степени имеется 38 опубликованных работ, из которых 19 в журналах, входящих в список ВАК. Основные результаты работы по теме диссертации опубликованы в 17 печатных работах, из которых 5 - в журналах, включенных в список ВАК.
Структура и объем работы. Текст диссертации состоит из введения, 5 глав, заключения, списка использованной литературы; содержит 83 рисунка, 4 таблицы, библиографический список включает 127 наименований - всего 150 страниц.
