Фотоэлектрические и яркостные характеристики структур GaAs-ZnS для твердотельных преобразователей изображений

Яскевич, Тамара Михайловна

Фотоэлектрические и яркостные характеристики структур GaAs-ZnS для твердотельных преобразователей изображений тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

Яскевич, Тамара Михайловна АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Томск МЕСТО ЗАЩИТЫ

2013 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.10 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Фотоэлектрические и яркостные характеристики структур GaAs-ZnS для твердотельных преобразователей изображений»

Автореферат диссертации на тему "Фотоэлектрические и яркостные характеристики структур GaAs-ZnS для твердотельных преобразователей изображений"

На правах рукописи

Яскевич Тамара Михайловна

ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И ЯРКОСТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СТРУКТУР СаАв^пв ДЛЯ ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ИЗОБРАЖЕНИЙ

Специальность 01.04.10 - физика полупроводников

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

3 I ....I ¿413

Томск - 2013

005536381

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский государственный университет» на кафедре полупроводниковой электроники радиофизического факультета и в лаборатории физики полупроводников научно-образовательного центра «Физика и электроника сложных полупроводников» Сибирского физико-технического института имени академика В.Д. Кузнецова.

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук, доцент

Калыгина Вера Михайловна

Официальные оппоненты:

Давыдов Валерий Николаевич, доктор физико-математических наук, профессор, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники», кафедра электронных приборов и устройств, профессор

Коханенко Андрей Павлович, доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский государственный университет», кафедра квантовой электроники и фотоники, профессор

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

Защита состоится «21» ноября 2013 г. в 14 час. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.267.07, созданного на базе федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский государственный университет», по адресу: 634050, г. Томск, пр. Ленина 36.

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке Томского государственного университета

Автореферат разослан « /Р*» октября 2013 г.

образовательное профессионального

учреждение высшего образования

«Национальный исследовательский Томский политехнический университет»

Учёный секретарь

диссертационного совета

доктор физико-математических наук

Киреева

Ирина Васильевна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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.

1972 годах [3-6]. 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 [9-12]. 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 ОаАэ 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 2пБ 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 ОаАз, 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 ОаАз^пБ 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 металл-ОаAs-металл (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 ТПИ, 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:

1) на основе GaAs, компенсированного атомами хрома в процессе высокотемпературного отжига;

2) на основе GaAs, легированного атомами хрома в процессе роста;

3) на основе нелегированного GaAs, содержащего EL 2-центры.

б) электролюминесцентные конденсаторы (ЭЛК) трех типов:

1) конденсаторы на основе порошкообразного люминофора марки 3-515-115(220) ZnS:Cu,Al фирмы «Люминофор»;

2) ЭЖ на основе пасты марки 8154L ZnS.Cu 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 СаАв-^пБ позволяет производить преобразование рентгеновского излучения с энергией квантов 17140 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 ОаАз:Сг-2п8:Си 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 на основе полуизолирующего ОаАэ 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 ОаА5:Сх-Та.8:Си может быть использована для преобразования рентгеновского излучения в излучение видимого диапазона;

б) впервые показано, что высокая яркость свечения ТПИ со структурой ОаЛ5:Сг^п$:Си обусловлена большими значениями времени жизни неравновесных электронов, возбуждённых рентгеновским излучением в фотопроводнике, и низким значением темновой проводимости чувствительного слоя из ваАк, компенсированного Сг в процессе высокотемпературного отжига;

в) впервые установлено, что яркость свечения и квантовая эффективность твердотельных преобразователей изображений на основе структур СтаА$:Сг-7п8:Си 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 ТПИ выше, если поглощение рентгеновских квантов в фотопроводнике преимущественно происходит у катода.

Научная цеппость. 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 ОаА8:Сг-2п5:Си от полярности, амплитуды,

частоты, формы импульсов опорного сигнала, а также вида и мощности ионизирующего излучения;

в) уточнена физическая модель ТПИ 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. №112137, 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 A.B. Тяжевьм, доктором физ.-мат. наук, профессором ТГУ О.П. Толбановьм, 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 A.B. 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 магистранта 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 сибирской конференции IEEE 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. 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.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и пути ее достижения, отмечена новизна, аргументирована научная и практическая значимость работы, изложены выносимые на защиту положения, представлено краткое содержание разделов диссертации.

Первая глава является обзором литературных данных по теме диссертации. Рассмотрены существующие классы детекторов. Основное внимание уделено сцинтилляционным и полупроводниковым детекторам

ионизирующего излучения. Приведены преимущества полупроводниковых детекторов с оптическим выводом информации по сравнению с полупроводниковыми детекторами с электрическим считыванием. Описаны физические процессы, протекающие в твердотельных преобразователях изображения. В выводах к первой главе сформулированы цель и задачи исследования, вытекающие из анализа литературных данных.

Во второй главе описаны технология изготовления образцов, а также методика измерений характеристик структур Me-GaAs-Me, элекгролюминесцентных конденсаторов на основе сульфида цинка, экспериментальных образцов твердотельных преобразователей изображений Me-GaAs:Cr-ZnS:Cu-Me.

Изготовление образцов Me-GaAs-Me трех типов осуществлено в лаборатории физики полупроводников СФТИ ТГУ. Исследования фотопроводимости структур Me-GaAs-Me проводили с помощью собранного измерительного стенда, включающего источник излучения (ИК-светодиод, рентгеновские установки с молибденовым и вольфрамовым анодами), генератор постоянного или переменного тока, осциллограф, фотодиод, дозиметр.

В работе были исследованы оптические и электрические характеристики электролюминесцентных конденсаторов трех типов. Первый тип: электролюминесцентные конденсаторы, изготовленные в СФТИ ТГУ печатным способом на основе порошкового люминофора ZnS:Cu,Al марки Э-515-115(220) фирмы «Люминофор», г. Ставрополь. Массовая доля содержания меди в ZnS составляла 0,2 %, алюминия - 1,6 %. Толщина слоев люминофора в ЭЛК первого типа изменялась от 36 до 180 мкм. Второй тип - это электролюминесцентные конденсаторы, люминофором в которых являлся слой пасты 8154L (ZnS:Cu) фирмы «DuPont Electronic Materials» толщиной 50 мкм. В третьем типе ЭЛК на слой люминофора фирмы «DuPont Electronic Materials» (50 мкм) был нанесен диэлектрик марки 8153 фирмы «DuPont Electronic Materials» толщиной 1 мкм. ЭЛК второго и третьего типов были изготовлены в фирме «Оникс», г. Ярославль методом трафаретной печати (печатный способ). Проводящими покрытиями во всех ЭЛК были слои ITO (90 % 1п203 + 10 % SnOi), нанесенные на поверхность стеклянных подложек.

Исследование яркостных характеристик было проведено на специально собранном стенде, содержащем генератор прямоугольных и гармонических импульсов, усилитель-делитель, осциллограф, фотоприемник, люксметр.

Исследования спектров излучения были проведены с помощью универсального монохроматора УМ-2 в диапазоне длин волн 380-1000 нм.

Вольт-амперные и частотные зависимости емкости и активной проводимости исследовали с помощью автоматизированных комплексов.

Экспериментальные образцы твердотельных преобразователей изображения имели структуру Me-GaAs:Cr-ZnS:Cu-Me. Толщина полупроводниковых пластин GaAs:Cr равнялась 240 мкм, площадь - 2,0 см2, емкость - 0,92 пФ. Удельное сопротивление GaAs:Cr составляло =5-10s Ом-см. Слой люминофора фирмы «DuPont Electronic Materials» толщиной 30 мкм наносили печатным способом. Для создания контакта к фотопроводнику на поверхность GaAs:Cr наносили тонкий слой алюминия. В качестве контакта к слою электролюминофора использовали прозрачную (на длине волны свечения люминофора) проводящую пасту фирмы «DuPont Electronic Materials». Для получения эквипотенциальной поверхности поверх проводящей пленки нанесено серебряное покрытие в виде кольца, к которому подпаивался второй контакт.

Исследование характеристик твердотельных преобразователей изображений проводили при использовании ИК-светодиода (рабочая длина волны 940 нм), рентгеновского излучения с энергией квантов от 40 до 140 кэВ и 17 кэВ. Излучение светоизлучающего слоя ТПИ регистрировалось с помощью фотоэлектронного умножителя, люксметра, ПЗС-фотокамеры (WAT-902H японской компании Watec Со) и микроскопа (стереоскопический микроскоп МБС-10). В установках для исследования характеристик структур Me-GaAs-ZnS-Me использовались генераторы прямоугольных и синусоидальных импульсов, фильтр, отсекающий ИК-излучение, фотодиод, дозиметр, цифровой осциллограф.

Третья глава посвящена исследованиям оптических и электрических характеристик электролюминесцентных конденсаторов с целью определения особенностей их поведения при изменении формы, амплитуды, частоты импульсов опорного сигнала. Получены данные о длине волны свечения, емкости и проводимости образцов, влиянии слоев диэлектрика и толщины слоя электролюминофора на яркость свечения, изучены процессы деградации.

Показано, что при увеличении амплитуды опорного сигнала яркость свечения ЭЛК увеличивается по эмпирическому закону:

L=L0 ехр(-6/-JU), (1)

где U слабо зависит от напряжения U, a b - постоянная, определяемая свойствами люминофора. Яркость свечения ЭЛК при возбуждении прямоугольными импульсами выше, чем при синусоидальной форме сигнала,

это объясняется большей крутизной нарастания фронта импульса (^L). При

увеличении амплитуды переменного напряжения до 250 В, яркость свечения ЭЛК не выходит на насыщение. Этот факт очень важен при использовании слоев электролюминофора в твердотельных преобразователях изображения.

С повышением частоты переменного сигнала яркость свечения ЭЛК возрастает, что связано с изменением параметров L0=L0(f) и b=b(J) (рисунок 1).

Яркость свечения ЭЛК на основе люминофора фирмы «DuPont Electronic Materials» возрастает линейно с увеличением частоты опорного сигнала на начальном участке, при / > 2500 Гц зависимость выходит на насыщение и постепенно снижается при дальнейшем повышении частоты. Наблюдаемая зависимость объясняется тем, что в области низких частот число актов ионизации, происходящих в течение одного периода, слабо зависит от частоты, и поэтому увеличение числа периодов в секунду вызывает соответствующее увеличение числа актов ионизации в единицу времени. Снижение яркости свечения ЭЛК в интервале больших частот можно связать с истощением источника электронов и изменением плотности пространственного заряда.

При увеличении толщины светоизлучающего слоя от 36 до 180 мкм, яркость свечения ЭЛК уменьшается экспоненциально. Введение слоев диэлектрика в структуру электролюминесцентного конденсатора приводит к увеличению яркости свечения слоя электролюминофора. Это явление объясняется тем, что диэлектрик препятствует уходу свободных носителей

50 100 150 200 250

Напряжение, В

1 —.—/=4000 Гц

2 —■—/=400 Гц

Рисунок 1 - Вольт-яркостная характеристика ЭЛК, измеренная на частотах 400 и 4000 Гц

заряда в металлический электрод. Чем больше свободных носителей в зоне проводимости люминофора, тем выше вероятность излучательной рекомбинации. Высокая плотность поверхностных состояний на границе раздела люминофор-диэлектрик обеспечивает поставку большой концентрации электронов в зону проводимости люминофора, которые являются затравочными для развития ударной ионизации и лавинного размножения свободных носителей заряда.

Деградационные процессы, протекающие в ЭЛК, связаны с изменением физико-химических свойств широкозонного полупроводника ZnS под влиянием внешних факторов и сильно зависят от величины начальной яркости свечения. Яркость свечения со временем убывает по эмпирическому закону

¿(с) _ ; где /.(/), Ь(0) - соответственно, текущее и начальное значения

и/2

яркости; т = 0,5-1,0; / - время наработки; /1;2 - константа, имеющая физический смысл времени, за которое яркость снижается наполовину, она называется временем полуспада.

В четвертой главе исследовано влияние рентгеновского и ИК-излучений на фотопроводимость структур Ме-ОаАв-Ме. На основе полученных экспериментальных данных показано, что кривую зависимости относительной фотопроводимости ¿д _°~сттеми от интенсивности излучения

сттемн

ИК-еветодиода (Е) в диапазоне 10"7 - 3-Ю"2 Вт/см2 можно аппроксимировать степенной функцией

А<тот„ =/••£», (2)

где к - коэффициент пропорциональности, п - показатель степени, сттемн -проводимость структур без освещения, а - проводимость структур во время освещения. При этом для структур ОаА5:Сг коэффициент пропорциональности равен 1,4-107 см2/Вт, что выше почти на три порядка по сравнению с коэффициентами пропорциональности для структур на основе ростового ОаА8:Сг и нелегированного ОаАз(ЕЬ 2), равными 4-104 и 2-104 см2/Вт соответственно. Показатели степени близки к единице для всех трех структур и равны 1,20; 1,03; 0,97 соответственно. Таким образом, для создания высокоэффективных твердотельных преобразователей изображения

необходимо использовать СаАэ, компенсированный атомами глубокой акцепторной примеси в процессе высокотемпературного отжига.

Величина тока, протекающего в структуре Ме-ОаАз-Ме при воздействии рентгеновского излучения с энергией квантов 17 кэВ, является функцией мощности экспозиционной дозы Р ионизирующего излучения

1 = 1тш+К-Р, (3)

где К - коэффициент пропорциональности. Чувствительность фототока к мощности экспозиционной дозы рентгеновского излучения с энергией квантов 17 кэВ, измеренная на постоянном и переменном токах, зависит от полярности напряжения на структуре. При приложении постоянного напряжения К составляет 104 нА • с/Р при отрицательной полярности на электроде со стороны облучения и 5,5 нА • с/Р - при положительной полярности (рисунок 2,а). Коэффициент пропорциональности для слоя фотопроводника при воздействии ионизирующего излучения с энергией квантов 40-140 кэВ составляет 306 нА-с/Р при отрицательной и 304 нА-с/Р при положительной полярностях на электроде со стороны облучения, что в три раза выше, чем при воздействии квантов с энергией 17 кэВ (рисунок 2,6).

1000-1 800

< -. 600

; 4002000

0 2 4 6 8 10 МЭД рентгеновского юлучения, Р/с

1 отрицательная полярность

2 —*— положительная полярность

400-

300-

^ 200-о

е 100-

0 200 400 <500 800 1000 1200 МЭД ретгеновского кипения, мР/с

1 —ш- отрицательная полярность

2 —полажитетънаяполч>юстъ

а б

Рисунок 2 - Зависимости фототока от мощности экспозиционной дозы. Энергия квантов 17 кэВ (а) и 40-140 кэВ (б). Напряжение на образце 60 В

Наблюдаемое влияние на фототок полярности напряжения определяется глубиной проникновения ионизирующих частиц. При воздействии излучения с энергией квантов 40-140 кэВ поглощение происходит по всему объему образца и влияние полярности приложенного напряжения существенно меньше, чем при воздействии квантами с энергией 17 кэВ, поглощение которых осуществляется лишь в части кристалла, обращенной к аноду рентгеновской трубки. Обнаруженный эффект влияния полярности приложенного сигнала на фототок связан с разными значениями подвижности и времени жизни электронов и дырок и существованием градиента концентрации неравновесных носителей заряда.

На временных зависимостях сигнала с детектора присутствует сдвиг фаз относительно опорного напряжения, который с увеличением мощности рентгеновского излучения уменьшается линейно.

Пятая глава посвящена исследованию лабораторных образцов твердотельных преобразователей изображения и сравнению экспериментальных и расчетных данных.

В основу расчета положено эмпирическое соотношение

Ь = Ь0 ехр(-Ь/т[й)> связывающее яркость свечения ЭЛК Ь с приложенным к

структуре напряжением и. Величина напряжения, приходящегося на слой ЭЛК в структуре ТПИ, рассчитывается с помощью электрической эквивалентной схемы. Для этого необходимо знать амплитуду опорного сигнала и характеристики структуры, такие как активные сопротивления слоев люминофора и фотопроводника Ял, Дф, их емкости Сл, Сф, а также частотные зависимости этих величин. Согласно электрической эквивалентной схеме ТПИ, действительную часть приложенного к светоизлучающему слою гармонического сигнала можно представить в виде:

Уд|+(о-Сл)-г -и.

■ 5Ш со ■ / + ЙГС/£

- агсг&

Дф • га • Сф

где ю — частота опорного сигнала.

При подаче импульсов прямоугольной формы

(2-7 + l)-raí +

ил{') = -

'■¡^^""{■k+ií

»c'g -—í— -erag ^Дф-га-Сф)

■ n +1

где у - целое число.

С использованием

экспериментальных данных о параметрах слоев

электролюминофора и

фотопроводника были проведены расчеты яркости свечения ТПИ от мощности ИК- и рентгеновского излучений, а также построены временные зависимости яркости свечения.

Проведенные исследования лабораторных образцов ТПИ показали сходство расчетных и

экспериментальных зависимостей (рисунок 3). Установлено, что при увеличении мощности ИК- и рентгеновского излучений яркость

100п

ю-

о ы а. Вч

10 100 Удельная мощность ИК-излучения, Вт/м"

1---расчет

2 ■ эксперимент

Рисунок 3 - Яркость свечения ТПИ при воздействии ИК-излучения и подаче гармонического сигнала с амплитудой 58 В, частотой 400 Гц

свечения структур Ме-ОаА8-2п8:Си-Ме возрастает (рисунок 4).

Подача опорного сигнала с большей амплитудой приводит к увеличению яркости свечения. Полярность напряжения влияет на яркость свечения аналогично влиянию полярности на фотопроводимость структур Ме-СаАя-Ме. С повышением частоты от 200 до 2000 Гц яркость свечения ТПИ уменьшается.

Неоднородности свечения преобразователя связаны с неоднородностью электрофизических характеристик фотопроводника (дислокационная сетка с характерным размером ячеек 200-1700 мкм). Они не зависят от величины мощности падающего излучения, параметров опорного сигнала и являются геометрически закрепленными. Пространственное разрешение структур, рассчитанное из максимальных размеров неоднородностей, составляет 0,5-0,3 пар линий на миллиметр.

мм

Рисунок 4 - Фотографии поверхности ТПИ во время облучения рентгеновским излучением при разной мощности экспозиционной дозы

В Заключении на основе проведенных экспериментальных исследований и полученных расчетных зависимостей сформулированы выводы:

а) система фотопроводник-люминофор ОаАз:Сг-2п8:Си способна работать в качестве твердотельных преобразователей изображений;

б) яркость свечения люминофора ZnS:Cu и качество изображения ТПИ со структурой ОаАк:Сг-2п8:Си зависят от полярности, частоты, амплитуды, формы импульсов опорного сигнала, мощности ионизирующего излучения. Установлено, что яркостные характеристики ТПИ на основе СтаА5:Сг-7п8:Си определяются электрофизическими свойствами ОаАв и а также типом регистрируемого излучения;

в) высокая яркость свечения ТПИ со структурой ОаАз:Сг-2п5:Си обусловлена существенной глубиной модуляции проводимости и низкой темновой электропроводимостью фоточувствительного слоя, характерных для структур ОаАэ, компенсированных атомами Сг в процессе высокотемпературного диффузионного отжига;

г) введение в люминофор Zn.S атомов меди с массовой долей 0,2 % обеспечивает высокую концентрацию центров свечения в люминофоре, что объясняет рост яркости свечения без выхода на насыщение при повышении напряжения в интервале 50-250 В для прямоугольных импульсов и гармонического сигнала в диапазоне частот 200-2000 Гц;

д) яркость свечения и квантовая эффективность твердотельных преобразователей изображений на основе структур ОаА8:Сг-7п8:Си определяются в большей степени не глубиной модуляции проводимости фотопроводника, а характеристиками детектируемого ионизирующего

излучения. В случае неоднородной генерации неравновесных электронно-дырочных пар — при поглощении излучения у катода квантовая эффективность ТПИ выше;

е) расчеты, проведенные на основе эквивалентной схемы замещения ТПИ, в которой учтены электрофизические свойства фотопроводника и электролюминофора, позволили разработать методологию оценки свойств и вычисления характеристик твердотельных преобразователей изображения со структурой Ме-СтаА5:Сг-2п8:Си-Ме в зависимости от энергии квантов и мощности экспозиционной дозы рентгеновского излучения;

ж) исследование закономерностей влияния режимов работы ТПИ (амплитуды напряжения, частоты, полярности) на яркость свечения структур полупроводник-люминофор в зависимости от мощности экспозиционной дозы ионизирующего излучения показало сходство экспериментальных характеристик с расчетными;

з) установлено, что неоднородности свечения поверхности твердотельного преобразователя изображений, зафиксированные ПЗС-камерой во время облучения со стороны люминесцентного слоя, связаны с наличием дислокационной сетки в образцах ЯЬСаАя.Сг.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в научных журналах и изданиях, которые включены в перечень российских рецензируемых научных журналов и изданий для опубликования основных научных результатов диссертаций:

1 Калыгина В.М. Твердотельные преобразователи изображения для регистрации рентгеновского излучения / В.М. Калыгина, A.B. Тяжев, Т.М. Яскевич // Известия высших учебных заведений. Физика. - 2008. - Т.51. - № 9/3. - С. 48-49. - 2/0,3 п.л.

2 Калыгина В.М. Твердотельные преобразователи изображения на основе структур GaAs/ZnS / В.М. Калыгина, A.B. Тяжев, Т.М. Яскевич // Физика и техника полупроводников. - 2009. - Т. 43. - № 7. - С. 975-979. -5/0,3 п.л.

3 Оценка концентрации хрома в высокоомном GaAs:Cr, создаваемом диффузией / Д.Л. Будницкий, В.А. Новиков, О.П. Толбанов, Т.М. Яскевич // Известия высших учебных заведений. Физика. - 2011. — Т.54. - № 2. - С. 100-102.-3/0,2 п.л.

4 Фотовольтаический эффект в контакте металл — высокоомный GaAs:Cr / Д.Л. Будницкий, В.А. Новиков, И.А. Прудаев, О.П. Толбанов, Т.М. Яскевич // Известия высших учебных заведений. Физика.. - 2012. - Т.55. - № 7.-С. 19-22.-4/0,2 п.л.

5 Свойства структур Ga203-GaAs в видимом и УФ диапазонах / А.Н. Зарубин, В.В. Вишникина, В.М. Калыгина, Ю.С. Петрова, И.А. Прудаев, М.С. Скакунов, О.П. Толбанов, A.B. Тяжев, Т.М. Яскевич // Известия высших учебных заведений. Физика. 2013. - Т. 56. -№ 8/3-С. 181-184.-4/0,2 п.л.

Публикации в других научных изданиях:

6 Физические основы работы электролюминесцентных конденсаторов: учебно-методическое пособие / Сост.: В.М. Калыгина, Т.М. Яскевич. - Томск: Изд-во Том. гос. ун-та, 2009. — 46 с.

7 Яскевич Т.М. Диффузия Fe в GaAs при давлении диссоциации / Т.М. Яскевич, И.А. Прудаев // Сборник материалов X Российской научной студенческой конференции. - Томск: Томский государственный университет, 2006. - С. 243-245.

8 Яскевич Т.М. Получение диффузионной n*-n-v-n структуры двойным легированием GaAs примесью Fe и S / Т.М. Яскевич, И.А. Прудаев, М.С. Скакунов // Сборник трудов 3-й и 4-й конференций студенческого

научно-исследовательского инкубатора. — Томск: Томский государственный университет, 2007. - С. 15-17.

9 Яскевич Т.М. Яркостные характеристики электролюминесцентных конденсаторов на основе ZnS:Cu,Al / Т.М. Яскевич, A.B. Тяжев // XIV Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Современные техника и технологии»: Сборник трудов в 3-х томах. Т. 1. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2008 - С. 226228.

10 Яскевич Т.М. Яркостные характеристики тонкопленочных структур на основе ZnS:Cu,Al / Т.М. Яскевич, A.B. Тяжев // Материалы III (XXXV) Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Образование, наука, инновации - вклад молодых исследователей»: Сборник трудов. - Кемерово: Кемеровский государственный университет, 2008 - С. 522-524.

11 Яскевич Т.М. Исследование оптических и электрических характеристик электролюминесцентных конденсаторов на основе ZnS:Cu,Al / Т.М. Яскевич, A.B. Тяжев // Материалы XLVI Международной научной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс»: Физика. - Новосибирск: Новосибирский государственный университет, 2008. -С. 178-179.

12 Яскевич Т.М. Характеристики тонкопленочных электролюминесцентных структур на основе ZnS:Cu,Al / Т.М. Яскевич, A.B. Тяжев // Сборник материалов XI Российской научной студенческой конференции «Физика твердого тела». — Томск: Томский государственный университет, 2008. - С. 246-249.

13 Яскевич Т.М. Твердотельные преобразователи изображения на основе структур GaAs/ZnS / Т.М. Яскевич, В.М. Калыгина, A.B. Тяжев // Сборник трудов VI Международной конференции «Аморфные и микрокристаллические полупроводники». - Санкт-Петербург: Изд-во Политехнического университета, 2008. - С. 275-276.

14 Kalygina V.M. Х-гау Image Converter Based on GaAs-ZnS Structures / V.M. Kalygina, A.V. Tyahzev, T.M. Yaskevich // International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON-2009). Proceedings. - Tomsk: The Tomsk IEEE Chapter & Student Branch. Russia, Tomsk, 2009. - P. 174-179.

15 Маджидов О.Ю. Яркостные характеристики твердотельного преобразователя ИК-изображения на основе структуры GaAs:Cr/ZnS:(Cu,Al) /

0.Ю. Маджидов, Т.М. Яскевич, О.П. Толбанов // Сборник I Международной заочной научно-практической конференции «Инновации в современном мире»: Научные итоги 2011 года: достижения, проекты, гипотезы материалов в 2-х частях. Часть 1/ Под общ. ред. С.С. Чернова - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2011.-С. 312-315.

16 Yaskevich Т.М. GaAs radiation imaging detectors for nondestructive testing, medical, and biological applications // The 28th ISTC - Korea Ulsan Workshop «Advanced Materials and Application». Opend R&BD Innovation by Inter-collaboration between Tomsk-Russia and Ulsan-Korea. Proceedings. - Ulsan Technopark, Korea, May 14-16, 2012. - P. 64-68.

17 Яскевич Т.М. Детекторы рентгеновского излучения с оптическим выводом информации // Материалы международной молодежной научной школы «Актуальные проблемы радиофизики». - 2012. - С. 104-106.

СПИСОК ЦИТИРУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1 Мурашев В. Новое поколение рентгеновского излучения на пиксельных матрицах / В. Мурашев, В. Удалов, О. Орлов // Электроника: НТБ. - 2006. -№

1.-С. 31-34.

2 Блинов Н.Н. Состояние и перспективы развития аппаратуры для лучевой диагностики в Российской Федерации / Н.Н. Блинов, Ю.В. Варшавский // Медтехника и медизделия. - 2004. - Т. 21. - № 4. - С. 24-27.

3 Kohashi Т. A new solid-state X-ray image converter // Proceedings of the IEEE. - 1963. - V. 51. - Is. 12. - P. 1794-1795.

4 A Solid-state Infrared Image Converter / T. Kohashi, T. Nakamura, S. Nakamura, K.-I. Miyaji// IEEE Transactions on electron devices/ - 1972. -V. 19. -№ 1.-P. 98-103.

5 Фок M.B. Теория электролюминесцентных преобразователей изображения -M.: Советское радио, 1961. - 52 с.

6 DC-controlled solid-state X-ray image converter / Т. Kohashi, К. Tanaka, N. Suzuki, Y. Machida // IEEE Transactions on Electron Devices. - 1972. - V. 19. - Is.

2. - P. 234-238.

7 Oguro T. Development of the computed electroradiography. Trial manufacture of digital imaging system // Kanagawa Shigaku. - 1990. - Jun. - Is. 25(1).-P. 1-10.

8 Feasibility study of a multi-layer liquid-crystal-based non-pixel X-ray detector / S.H. Kim, J.W. Shin, K.M. Oh, B.Y. Cha, S.K. Park and S.H. Nam // 13th

International workshop on radiation imaging detectors, 3-7 July. 2011. - ETH Zurich, Switzerland. - 2012. - Is. 2. - IOP Publishing Ltd and SISSA. -doi: 10.1088/1748-0221 /7/02/С02030. - P. 1 -8.

9 Radiation detector based on liquid crystal light valve for large-area imaging applications / S. Kang, J. Park, B. Cha, et.al. // Nuclear Instalments and Methods in Physics Research A. - 2007. - V. 576. - P. 83-86.

10 Борошнев А.В. Пространственно-временные модуляторы света на основе структур металл-диэлектрик-полупроводник-жидкий кристалл / А.В. Борошнев, Н.Ф. Ковтонюк // Прикладная физика. - 2000. - № 6. - С. 5-10.

11 Скородумов И. А., Электролюминесцентный преобразователь изображения и оптимизация его параметров [Электронный ресурс] / И.А. Скородумов, А.И. Андреев, С.М. Кокин // Труды Девятой международной научно-технической конференции Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники. Часть 2. Оптоэлектроника. Таганрог, 12-17 сентября 2004 г.: URL: http://fep.tsure.ru/books/conferenc/pem2004/ (дата обращения: 08.10.2013).

12 Применение твердотельных преобразователей изображения в технике ночного видения./ В.Г. Волков, Н.Ф. Кощавцев, В.И. Ледейкин, В.А. Чапнин [Электронный ресурс] // Прикладная физика. - 1999. — № 2. - Электрон, версия печат. публ.- URL: http://applphys.orion-ir.ru/soder.htm (дата обращения: 08.10.2013).

Тираж 100. Заказ 992. Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники

634050, г. Томск, пр. Ленина, 40. Тел. 533018.

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Яскевич, Тамара Михайловна, Томск

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ (ТГУ)

На правах рукописи

04201454465

Яскевич Тамара Михайловна

Специальность 01.04.10 - Физика полупроводников

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель кандидат физ.-мат.наук, доцент Калыгина Вера Михайловна

Томск 2013 г.

СОДЕРЖАНИЕ

Обозначения и сокращения..............................................................................................................5

Введение............................................................................................................................................................6

Глава 1 Физические основы работы преобразователей излучения................16

1.1 Существующие классы детекторов рентгеновского и гамма излучений........................................................................................................................................16

1.1.1 Сцинтилляционные детекторы................................................................18

1.1.2 Ионизационные детекторы........................................................................19

1.2 Выбор материалов для создания высокочувствительных детекторов ионизирующих излучений..............................................................22

1.3 Физические процессы в твердотельных преобразователях изображения................................................................................................................................28

1.4 Основные характеристики преобразователей изображения .. 34

1.5 Выводы по литературному обзору и постановка задачи............38

Глава 2 Методика эксперимента..................................................................................................42

2.1 Экспериментальные образцы Ме-2п8-Ме..............................................42

2.1.1 Методика изготовления ЭЛК..................................................................42

2.1.2 Методика измерений характеристик ЭЖ..................................47

2.2 Экспериментальные образцы Ме-ОаАз-Ме..........................................48

2.2.1 Методика изготовления детекторных полупроводниковых структур..............................................................................48

2.2.2 Методика измерений характеристик полупроводниковых структур..............................................................................52

2.3 Экспериментальные образцы Ме-ОаАз-^пБ-Ме..............................53

2.3.1 Методика изготовления ТПИ..................................................................53

2.3.2 Методика измерений характеристик ТПИ..................................55

2.4 Оценка погрешностей измерений..................................................................62

Глава 3 Электрофизические свойства электролюминесцентных

конденсаторов на основе гп8..........................................................................................................63

3.1 Электрические характеристики ЭЛК.............................. 63

3.2 Яркостные характеристики ЭЛК.................................... 65

3.3 Спектральные зависимости яркости свечения.................. 72

3.4 Влияние слоев диэлектрика в структуре ЭЖ.................. 72

3.5 Деградационные процессы.......................................... 74

3.6 Выводы по 3 главе.................................................... 82

Глава 4 Зависимости фототока Ме-ваАз-Ме-структур от режимов воздействия ионизирующего излучения....................................... 86

4.1 Исследование зависимостей относительной фотопроводимости ОаАБ от интенсивности ИК-излучения...... 86

4.2 Исследование зависимостей фототока Ме-ОаАэ-Ме-структур от мощности экспозиционной дозы рентгеновского излучения с энергией квантов 17 кэВ................................. 88

4.3 Исследование зависимостей фототока Ме-ОаАБ-Ме-структур от мощности экспозиционной дозы рентгеновского излучения с энергией квантов 40-140 кэВ........................... 98

4.4 Выводы по 4 главе.................................................... 101

Глава 5 Исследование характеристик твердотельного преобразователя

изображений................................................................... 103

5.1 Основные соотношения, необходимые для расчета яркости свечения ТПИ при воздействии ИК- и рентгеновского излучений................................................................... 103

5.2 Полученные расчетные зависимости яркости свечения преобразователя............................................................. 107

5.3 Влияние амплитуды опорного сигнала, частоты, толщины слоев фотопроводника и люминофора, типа структуры ЭЛК на расчетные зависимости Ь(Р)............................................. 112

5.4 Яркость свечения ТПИ в зависимости от мощности детектируемого излучения.................................................. 115

5.4.1 Влияние мощности ИК-излучения на яркость свечения

ТПИ при работе на синусоидальном и прямоугольном

импульсах..............................................................................................................................115

5.4.2 Влияние мощности рентгеновского излучения на

яркость свечения ТПИ ................................................................................................117

5.5 Влияние амплитуды и частоты опорного сигнала на яркость свечения ТПИ..............................................................................................................................120

5.5.1 Зависимость яркости свечения ТПИ от напряжения .... 120

5.5.2 Зависимость яркости свечения ТПИ от частоты опорного сигнала............................................................................................................................................123

5.6 Влияние полярности приложенного напряжения на яркость свечения ТПИ при воздействии ИК-излучения..............................................125

5.7 Пространственное разрешение ТПИ..................................................................126

5.8 Выводы по 5 главе........................................................................................................130

Заключение......................................................................................................................................................133

Список использованных источников литературы........................................................136

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

ВАХ Вольт-амперная характеристика

ИК Инфракрасный (ое)

МЭД Мощность экспозиционной дозы

МДМ Металл-диэлектрик-металл

ПЗС Прибор с зарядовой связью

ТПИ Твердотельный преобразователь изображения

УФ Ультрафиолетовый (ое)

ФЭУ Фотоэлектронный умножитель

ЭЛК Электролюминесцентный конденсатор

ССЕ Charge Collection Efficiency - эффективность сбора заряда

DQE Detective quantum efficiency (пороговая квантовая эффективность)

Eg Ширина запрещенной зоны полупроводника

GaAs Арсенид галлия

ITO Прозрачное проводящее покрытие, являющееся соединением 90 %

1п203 и 10 % Sn02

Me Металл, металлический контакт, металлическое покрытие

SI Semi-Insulating - полуизолирующий материал

SNR Signal-to-noise ratio - отношение сигнал-шум

ZnS Сульфид цинка

ВВЕДЕНИЕ

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.

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.

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 твердотельных преобразователях 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 ваАэ 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 2п8 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 ваАв, 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 ОаАэ^пЗ при воздействии ионизирующего излучения рентгеновского диапазона.

Задачами работы являлись:

б) исследование влияния энергии квантов и мощности ионизирующего излучения на фотопроводимость и чувствительность полупроводниковых структур металл-ваАз-металл (Ме-ваАз-Ме);

г) уточнение физической модели работы ТПИ, сопоставление расчетных и экспериментальных зависимостей яркости свечения от

мощности экспозиционной дозы, формы импульсов, частоты, амплитуды и полярности напряжения.

Объекты исследования:

а) структуры Me-GaAs-Me трех типов:

1) на основе GaAs, компенсированного атомами хрома в процессе высокотемпературного отжига;

2) на основе GaAs, легированного атомами хрома в процессе роста;

3) на основе нелегированного GaAs, содержащего ЕЬ2-центры.

б) электролюминесцентные конденсаторы (ЭЛК) трех типов:

1) конденсаторы на основе порошкообразного люминофора марки 3-515-115(220) ZnS:Cu,Al фирмы «Люминофор»;

2) ЭЖ на основе пасты марки 8154L ZnS:Cu 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-ZnS позволяет производить преобразование рентгеновского излучения с энергией квантов 17-140 кэВ и ИК-излучения с длиной волны < 940 нм в излучение видимого диапазона;

излучения, и с уменьшением темновой проводимости чувствительного слоя, что обеспечивает более высокую чувствительность ТПИ для материала, компенсированного атомами хрома в процессе высокотемпературного отжига;

г) в структурах на основе полуизолирующего ОаАБ и 2п8, 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 ОаАз:Сг-2п8:Си может быть использована для преобразования рентгеновского излучения в излучение видимого диапазона;

б) впервые показано, что высокая яркость свечения ТПИ со структурой СаАз:Сг-2п8:Си обусловлена большими значениями времени жизни неравновесных электронов, возбуждённых рентгеновским излучением в фотопроводнике, и низким значением темновой проводимости чувствительного слоя из ваАв, компенсированного Сг в процессе высокотемпературного отжига;

в) впервые установлено, что яркость свечения и квантовая эффективность твердотельных преобразователей изображений на основе структур ОаАз:Сг-2п8:Си 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 ТПИ 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.

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 высоко�