Разработка и исследование координатных детекторов на арсениде галлия для цифровых рентгеновских аппаратов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

УДК 621.382

На правах рукописи

/

.............^

ЛЕЛЕКОВ МИХАИЛ АЛЕКСАНДРОВИЧ

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ КООРДИНАТНЫХ ДЕТЕКТОРОВ НА АРСЕНИДЕ ГАЛЛИЯ ДЛЯ ЦИФРОВЫХ РЕНТГЕНОВСКИХ АППАРАТОВ

Специальность: 0].04.04 — физическая электроника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискаиие ученой степени кандидата технических наук

0034Б44 и

Томск 2009

003464413

Работа выполнена в ОАО «Научно-исследовательский институт гголупроводнИ' ковых приборов» и ГОУ ВПО «Томский государственный университет»

Научный руководитель: доктор технических наук

Айзенштат Геннадий Исаакович.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Троян Павел Ефимович;

кандидат физико-математических наук Нефсдцев Евгений Валерьевич.

Ведущая организация: Государственный научный центр РФ

Институт физики высоких энергий (г. Протвино).

Защита диссертации состоится 31 марта 2009 г. в 9 ч. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д212.268.04 при Томском государственном университете систем управления и радиоэлектроники по адресу: 634050, г.Томск, пр. Ленина, 40.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники.

Автореферат разослан «__» февраля 2009г.

Ученый секретарь диссертационного совета ^ доктор технических наук, профессор Ю.П. Акулиннчев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 на ареениде 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 в 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 Голбанова О.П., профессора Томского государственного университета. Был создан компенсированный хромом полуизолирующий арсенид 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.

2. Выполнить комплекс экспериментальных и теоретических исследований по оптимизации конструкций детектора, разработать конструкции координатных детекторов для рентгеновских аппаратов различного назначения (маммографии, флюорографии и т.д.)

3. 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.

4. 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 ОаЛ5(Сг)-детсктора 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 ОаЛя(Сг) 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

1. Разработана и внедрена в ОАО «НИИПП» (г. Томск) установка измерения основных электрофизических характеристик детекторных структур на основе компенсированного арсенида галлия.

2. Разработаны линейки однокоординатных детекторов для модулей цифрового рентгеновского аппарата, созданного п ООО «РИД» (г. Томск).

3. Разработаны пиксельные детекторы для цифровой системы регистрации рентгеновских изображений, внедренной в Институте физики высоких, энергий (ГНЦ ИФВЭ, г. Проточно).

4. 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 «БЕБУ» (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.

2 Облучение СаЛх(Сг)-дстскгорои 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.

3 Вид амплитудного спектра рентгеновского GaAs(Cr)-;icicinopa можно изменить и за счет этого увеличить амплитуду выходною сигнала: а) для детектора из эпитаксиалыюго 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 дегектора у анода.

4 Отжиг GaAs(Cr)-;jereKTopa с меза-структурой при температурах выше 350°С и последующая выдержка на воздухе или в атмосфере кислорода приводит к значительному снижению и долговременной стабилизации поверхностных токов утечки независимо от типа газа (1Ь, 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 «S1BCON-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 «Арсенид 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 сотрудничестве 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.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель работы и задачи исследований, приведены научная новизна и практическая ценность, сформулированы научные положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена анализу литературных данных по проблеме создания координатных детекторов для современных цифровых рентгеновских аппаратов. Рассмотрены концепции построения таких аппаратов и способы преобразования энергии рентгеновских квантов в электрический сигнал для получения цифрового изображения объектов. Показано преимущество рентгеновских детекторов с прямым преобразованием энергии кванта в сигнал без использования сцинтилляторов. В этой связи сформулированы требования, предъявляемые к полупроводниковым материалам для детекторов. Анализ характеристик известных полупроводников показал, что реальный выбор материалов для рентгеновских детекторов очень ограничен, а использование хорошо освоенных материалов, таких, например, как арсенид галлия, требует проведения специальных исследований.

Показано, что к началу нашей работы не проведен системный анализ многих физических явлений в детекторах из арсенида галлия и не сформулированы универсальные правила разработки координатных детекторов на полуизолирующем компенсированном материале. При этом остается неясным ряд вопросов относительно характеристик контактов к арсениду галлия, компенсированному хромом, нет ясности и в механизмах протекания темновых токов в приборах.

В заключение к первой главе формулируются цели и задачи исследований.

Вторая глава диссертации посвящена исследованию электрофизических характеристик ОаАк(Сг)-детекторо в. Особое внимание уделено изучению вольтампер-ных характеристик (ВАХ) детекторных структур. Ранее считалось, что детекторную структуру из компенсированного хромом арсенида галлия можно рассматривать как

/, нА

р ^б.б ГОм см

а, в

Рисунок 1 -ВАХ образцов при ЗООК: 1- экспериментальные данные; 2- линейная экстраполяция.

резистор, поведение которого определяется удельным сопротивлением материала, а DAX в области рабочих напряжений линейна. Нами впервые показано, что ВАХ детектора на начальном участке не является линейной, а дифференциальное сопротивление, найденное из анализа ВАХ (рисунок 1), может во много раз превосходить предельное значение сопротивления арсенида галлия.

Анализ экспериментальных характеристик структур с контактами на основе различных материалов показал, что вид ВАХ детекторной структуры из ОаАэ(Сг) определяется свойствами катодного контакта. Аналитическое выражение для темпового тока детектора, формула (1), получено с использованием теории инжекционных токов для режима тока, ограниченного пространственным зарядом (ТОПЗ):

ОЩ)

J-

(1)

где в - отношение средней концентрации свободных дырок в активной области к концентрации дырок, захваченных на ловушки, ее0 - диэлектрическая проницаемость полупроводника, гр — время жизни дырок, U — приложенное внешнее напряжение, L -длина образца,/, - плотность обратного тока барьера Шотгки.

Анализ энергетической диаграммы образца полуизолирующего GaAs с контактами типа барьера Шоттки показал, что в нашем случае реализуется ситуация, характерная для режима ТОПЗ, поскольку у анодного контакта формируется область низкого поля с избыточной концентрацией дырок.

Установлено, что отличительной особенностью токопереноса является то, что ток дырок, ограниченый пространственным зарядом, изменяется не но квадратичному, а по линейному закону. Данными, подтверждающими нашу модель, явились результаты экспериментов по изучению ВАХ приборов с разной толщиной, рисунок 2.

С использованием полученной формулы удалось реализовать простую методику определения высоты барьера контактов металл-ОаАк(Сг). При использовании нескольких методов, рисунок 3, измерена высота барьера контакта (V+Au) - Silo

ОаА$(Сг), составившая (0,81±0,02)эВ. Полученное значение хорошо согласуется с литературными данными. Необходимо отметить, что ВАХ детектора, начиная с напряженности поля порядка 104 В/см, перестает быть линейной что объясняется влиянием эффекта Пула-Френкеля.

Рисунок 2 - ВАХ приборов с разной Рисунок 3 - Зависимость 1п(/„) от вели-

толщнной. чипы МкТ.

Дальнейшие исследования переноса заряда, позволившие детально разобраться в этом вопросе проводились с использованием различных источников ионизирующего излучения. Часть экспериментов проводилась на специально созданной экспериментальной установке. В качестве источников ионизирующих излучений использовались светодиоды красного (Х.=0.66±0.01 мкм) и инфракрасного диапазонов (К=0,92+0.03 мкм), моделирующие рентгеновские кванты с разной энергией. Для проведения экспериментов с рентгеновскими квантами использовался мощный источник рентгеновских импульсов ианосекундной длительности, разработанный в Институте сильноточной электроники СО РАН, г.Томск, принцип действия которого основан на эффекте взрывной эмиссии. Показано, что О а А 5 (С г) - д ете кто р ы способны регистрировать сверхмощные рентгеновские импульсы наносекундной длительности.

Экспериментальные результаты, иллюстрирующие формы выходных сигналов детектора в зависимости от длительности световых импульсов (рисунок 4) и от мощности рентгеновского излучения, а также проведенное математическое моделирование позволили сделать вывод о том, что главными причинами, приводящими к аномальным характеристикам выходного сигнала, являются процессы захвата электронов и дырок на глубокие центры. Показано, что облучение ОаУ\5(Сг)-детекторов ионизирующим излучением высокой интенсивности обуславливает деформацию распределения электрического поля, вследствие изменения заряда на ловушках: при об-

11

лучении рентгеновскими квантами (с энергией больше 40 кэВ) провал напряженности электрического поля будет наблюдаться у анода; в стационарном состоянии протекание тока п детекторе будет происходить в условиях режима ТОГО при сильном захвате носителей заряда на ловушки.

U, мВ 30

а)

-

{ —

i \

SffiB

U, мВ 30

б)

20

0

10

(, МКС

10

0

//чГ-5 1

//Ой 4 1

I 1

4У//--2 Дп !

aT/^/V^V

20,4 20,5 20,6 20,7 20,8 мкс

Рисунок 4 - Осциллограммы сигналов фотоответа при длительности импульса красного светодиода: а) 9.2 мкс, б) 0.2 мкс - для разных напряжений, приложенных к структуре: / - 10 В, 2 - 20 В, 3 -30 В, 4 - 50 В, 5 - 100 В, 6 - 300 В.

Результаты экспериментов со светодиодами дали важный практический результат: показано, что с использованием коротких импульсов красного и инфракрасного излучений (рисунок 46), в том случае, когда общий заряд Q, прошедший через прибор, подчиняется условию: £У(еео)«Етеап (гДе ¿'-mean - средняя напряженность электрического поля в структуре), амплитуда выходного сигнала прямо пропорциональна

эффективности сбора заряда (charge collection efficiency -ССЕ). Полученные данные сравнивались с результатами стандартных методик измерения ССЕ и теоретических расчетов, и хорошо согласуются с ними, рисунок 5.

Эти выводы позволили обосновать новую методику неразрушающего контроля качества пластин из полуизолирующего GaAs материала. Блок-схема установки приведена на рисунке 6. Здесь в качестве контактов к полупроводнику выступает элек-

6 Е, кВ/см

Рисунок 5 - Экспериментальные и теоретические зависимости ССЕ от напряженности электрического поля. 1 -нормированная зависимость выходного сигнала при облучении красным свето-диодом; 2 - ССЕу, построенная с использованием аппроксимации Кремера; 3 -

ССЕу, построенная с использованием аппроксимации Шура; 4 - ССЕу полученная тролит. Методика позволяет прогнозировать

при облучении радиоактивным источником г4|Ат.

ССЕ детекторов и измерять времена жизни

электронов. Разработанная установка позволяет обойтись без опасных радиоакгивных источников, использования сложной дорогостоящей аппаратуры, является неразрушающей и позво-

т, , .. ляет сократить финансовые и

Рисуиок 6 - Блок-схема установки измерения па- * г

рамегров арсегшдогаллиевых детекторных структур. временные затраты. В настоящий момент она внедрена и используется в технологическом цикле производства ОАО «НИИПП».

В третьей главе изучались конструктивные и технологические особенности построения координатных детекторов на арсениде галлия, компенсированном хромом, позволяющие улучшить и оптимизировать их характеристики. Цель оптимизации параметров детекторов при создании малодозовых рентгеновских установок -получение максимального отношения сигнал-шум. Так как материал, компенсированный хромом, не является спектрометрическим, важной задачей становится улучшение амплитудного спектра прибора, что приведет к увеличению собранного заряда, а, значит, и амплитуды выходного сигнала. Помимо этого, исследовались возможности уменьшения темновых токов, которые в первую очередь определяют уровень шумов прибора.

Обнаружено, что, меняя соотношение толщины активной области с! и размер коллиматора Оь определяющий пространственное разрешение детектора, и размещенных, как показано на рисунке 7, удается достигнуть оптимума и получить максимальную амплитуду выходного сигнала. Расчет амплитуды выходного сигнала базировался на формуле, описывающей форму амплитудного спектра. Как видно из рисунков 8 и 9, при увеличении отношения с1/с1\ амплитудная характеристика приобретает спектрометрический вид, а зависимость выходного сигнала имеет максимум, в котором амплитуда сигнала может быть в 1,5 раза выше, чем для стандартной конструкции детектора. Поиск этого максимума чрезвычайно важен при конструировании реальных приборов, предназначенных для цифровых рентгеновских аппаратов, так как приводит к увеличению отношения сигнал-шум и улучшению контрастности ап-

парата. Результаты расчетов легли в основу новой конструкции детекторного модуля, на которую получен патент России.

коллиматор

Рисунок 7 - Схема облучения детектора через коллшуатор.

10 20 30 кэВ Рисунок В - Форма амплитудных спектров детектора в зависимости ог толщины прибора с1 при Е - 1 кВ/см: / - 100 мкм, 2 -250 мкм, 3 - 400 мкм, 4-1000 мкм.

Поиск путей по созданию эффективных конструкций проводился как для объёмных структур, так и для эпитаксиальных детекторов. Теоретически и экспериментально показано, что в детекторах на основе эпмтаксиального арсенида галлия, компенсированного хромом, вид амплитудного спектра можно существенно улучшить, если детектор установить под углом к направлению рентгеновских лучей, рисунок 10а. В результате, как видно из рисунка 106, спектр сигнала детектора при уменьшении угла падения становится менее размытым и смещается в область высоких энергий. Это приводит к увеличению эффективности сбора заряда практически в 1,5 раза, рисунок 11. Эффект улучшения спектра наблюдался экспериментально, что показано на рисунке 12, и был использован при разработке маммографа в Институте ядерной физики им. Будкера СО РАН, г. Новосибирск. И^/ЖДс/,)

Рентгеновское л излучение

200 400 600 800 1000/,мкм

Детектор

V 0,08 0,06 0,04 0,02 0,00,

А

ЛУ

■ ¿7 Лг

л

10 20

40 £,кэв

Рисунок 9 - Зависимость нор- Рисунок 10 -Расположение детектора относи-

мированного выходного сигнала от тельно потока рентгеновских лучей (а). Вид амплитуд-

толщмны детектора с/ при разных пых спектров рассчитанных для детектора толщиной с?

напряжепностях электрического =40мкм (б), при различных углах падения излучения а: поля: / - 1 кВ/см, 2-3 кВ/см. 1 -90°, 2 -6°, 3-2°.

Рисунок 11 -Эффективность Рисунок 12 - Амплитудные спектры детекторов при сбора заряда для разных углов на- разных углах наклона детекторов: а=90°(а), а=18° (б), клона детектора: /-а = 90°, 2-а = 6°.

Для реализации эпитаксиальных детекторов создана новая технология, в которую введен процесс локальной диффузии. На рисунке 13 представлены основные

этапы разработанного технологического маршрута. Предложенный способ позволяет избежать возникновения дефектов, появляющихся на поверхности структуры после диффузии в виде капель интерметаллических соединений хрома, мышьяка и галлия диаметром несколько сотен микрометров, и увеличить процент выхода годных структур.

В работе была исследована природа избыточного темнового тока координатных детекторов и установлено, что он обусловлен утечкой вдоль поверхности между каналами детектора. Для уменьшения этих поверхностных токов предложена новая

конструкция прибора, рисунок 14е, и разработана оригинальная технология ее реализации, представленная на рисунке 14. Суть новой конструкции состоит в том, что в эквивалентной схеме детектора

^ -^Фото-

резист

; У+Аи

Рисунок 14- Схема технологического маршрута.

между координатными каналами размещены обратносмещенные рч-п диоды. Для этого между контактными площадками каналов созданы неглубокие щели, на дне которых методом ионного легирования изготовлены слои л+-типа проводимости. Новизна решения подтверждена патентом России.

В рамках решения поставленной задачи исследовалось влияние технологических обработок детекторных структур на величину токов утечки. Ьыли исследованы различные режимы отжига егруктур. Впервые экспериментально установлено, что отжиг рельефной поверхности ОаА.ч-детектора при температурах выше 350°С и последующая выдержка на воздухе или в атмосфере кислорода приводит к значительному снижению и долговременной стабилизации поверхностных токов утечки независимо от газа, в котором был проведен отжиг (рисунок 15). Эти результаты позволили впервые создать детекторы без специальных охранных колец, а значит, и без «мертвых» зон в координатном детекторе.

1,нА 6 5 4 3 2 I

--до отжига;

— после отжигает

— через 6 дне»; 2

— через 15 дней; --через 20 дней;

— через 77 дней;

— - через 7 месяцев

'» " а я ■ "Г"

• • • • , * »1»

\

1,нА 6 5 4 3 2 1

V

I

- - до отжига;

- - после отжига; ЭД

- - через 5 дней; ^

- - через 12 дней;

- - через 48 дней;

- через 6 месяцев.

2

1,нА 6 5 4 3 2 1

- - до отжига;

-- после отжига;

- - через 5 дней.

- - через 14 дней;

- - через 5 5 дней;

- - через 6 меоуд^в.

н2+0.

О 5 10 №канала '0 5 10 №канала 0 5 10 №канала

Рисунок 15 - Темповые токи в каналах детектора до и после отжига, и=10В.

Результаты исследований легли в основу разработок реальных приборов, представленных в четвертой главе. В частности, сконструированы однокоординат-ные детекторы и модули на их основе для сканирующих медицинских аппаратов общего назначения, рисунок 16. Из таких модулей, как из кирпичиков, можно создавать полноформатные цифровые системы.

Рисунок 16-Детекторный модуль

3 о,б, ¡0.5

¡3 0,4

I 0,3

В 0,0

♦ ш

100 кВ 120 кВ 140 кВ 160 кВ

■ ♦

0.5 1,0 1,5 2,0 2.5 3,0 3,5 4,0 I, мА

Рисунок 17 - Зависимости выходного сиг-

сканирующего типа. нала детекторов от тока рентгеновской трубки.

Испытания детекторов, проведенные в ООО «РИД», показали, что они имеют

линейный отклик сигнала в зависимости от дозы рентгеновского излучения, рисунок 17. Получены цифровые изображения объектов с контрастной чувствительностью 3% и пространственным разрешением 2.8 пары линий на мм. Представленные результаты позволяют утверждать, что разработанные детекторные модули пригодны для использования их в медицинских целях.

Для работы в маммографических аппаратах, где требуется получить высокое пространственное разрешение объектов, были разработаны конструкции детекторов с шагом каналов 100 мкм. Помимо стандартных решений (рисунок 18) предложена конструкция сенсора, которая полностью исключает связь каналов между собой, рисунок 19. Детектор состоит из двух кристаллов арсенида галлия с шагом каналов 200 мкм (рисунок 20), расположенных в шахматном порядке.

Рисунок 18 - Фото- Рисунок 19 - Схема расположе-

графия фрагмента детек- нпя кристаллов координатного детектора для маммографии. тора друг относительно друга.

Рисунок 20 - Фотография фрагмента нового детектора.

В прототипе цифрового маммографа в новосибирском Институте ядерной физики СО РАН (г.Новосибирск), наши детекторы установлены под углом 6° и работают в фотовольтаическом режиме. В результате измерений доказано, что данные детекторы удовлетворяют всем требованиям, предъявляемым к детекторам для цифровых

маммографов. Получено изображение с разрешением 5 пар линий на миллиметр, рисунок 21. Каналы детектора работают независимо друг от друга и характеризуются высокой линейностью зависимости выходного сигнала от тока рентгеновской трубки.

„, ,, „ Дальнейшее улучшение пространст-

Рисунок 21 - Изображение гестово-

го объекта с разрешением 5 пар линий на венного разрешения однокоординатных де-

миллиметр.

тпп

I

I

со — <>о

С-а П-Н» Г->-|

текторов наталкивается на серьезные ограничения, так как для получения контрастного изображения объекта требуется увеличить мощность рентгеновского источника в десятки раз. Решение возникшей проблемы возможно при замене линейного координатного детектора матричным детектором. Данный способ предполагает соединение пиксельных (матричных) детекторов на арсениде галлия с кремниевыми интегральными микросхемами (мультиплексорами) посредством «Й1р-сЫр»-технологии. На рисунках 22 и 23 представлены схематическое изображение и фотография такой микросборки. Разработанный матричный детектор имел 128х528 каналов, расположенных с шагом 50 мкм, и был использован в составе микросборки для создания системы регистрации рентгеновских изображений в Научном центре «Институт физики высоких энергий», г. Протвино. Проведенные испытания показали, что пространственное разрешение двухкоординатного ОаАв-дегектора в составе микросборки составляет 9 пар линий на мм, а контрастная чувствительность не ниже 1%.

мультиплексор ,](

1 . /"V *

Жёйм«; 8 »«

X ,

Матричный детектор * Л5 * I . мф*>

изОаА^Сг) * Ч ,§Щ

Рисунок 22 -Соединение матричного детектора с Рисунок 23 - Фотография мик-

электронпкой считывания «Шр-сЫр»- методом. росборкн, размещенной на плате.

Перечисленные выше детекторные модули легли в основу первых прототипов отечественных цифровых аппаратов с прямым преобразованием энергии квантов в электрический сигнал и внедрены в производство в ряде научных центров и научно-инновационных производственных фирм.

Помимо цифровых рентгеновских аппаратов, наши детекторы находят свое

I

применение в экспериментах по физике высоких энергий. В международном проекте с участием Объединенного инсти-

Рисунок 24 - Фотография детектора (слева) и гото- ТуТа ядерных исследований (г. ' вого прибора (справа).

Дубна), проводятся исследования на ускорителе «ОЕЭУ» по изучению электрон-позитронных взаимодействий. Благодаря разработанной технологии пассивации, удалось реализовать конструкцию детектора сэндвич-калориметра без охранных колец при минимальных токах утечки, рисунок 24. По уровню радиационной стойкости они превзошли на порядок радиациопно-стойкий кремний, уступая лишь алмазу, а по совокупности характеристик являются первыми и пока единственными образцами, пригодными и смонтированными в установку для эксперимента.

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы.

В приложении приведены акты внедрения результатов работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1 Предложена модель протекания темнового тока в ОаА8(Сг (-детекторах, учитывающая инжекцию дырок из анода в активную область и частичный захват дырок на ловушки. При этом впервые показано, что сопротивление прибора в несколько раз превосходит предельное сопротивление материала, а начальный участок вольтам-перной характеристики имеет загиб.

2 Изучена динамика формирования фотоответа в ОаА5(Сг)-детекторной структуре при воздействии на нее различных источников ионизирующего излучения. Показано, что главными причинами, приводящими к аномальным характеристикам выходного сигнала в детекторах, являются процессы захвата электронов и дырок на глубокие центры. При этом для квантов с разной энергией в детекторах возникают существенно разные распределения зарядов ловушек, и как следствие, разные профили напряженности электрического поля.

3 Разработаны оригинальные методики неразрушающего контроля основных электрофизических параметров детекторных структур.

4 Проведены теоретические и экспериментальные исследования, направленные на оптимизацию конструкций детекторов. Показано, что вид амплитудного спектра СаА5(Сг)-детектора можно изменить и за счет этого увеличить амплитуду выходного сигнала: а) для эпитаксиального детектора, если его облучать под углом к катоду (менее 10 градусов), б) для детектора из объемного материала, если направить

рентгеновский пучок перпендикулярно сечению детектора (параллельно электродам), и увеличить толщину рабочей области, закрыв часть сечения прибора у анода.

5 Установлена природа избыточного темпового тока детекторов на основе ОаЛ$(Сг). Исследовано влияние технологических режимов отжига на поверхностные токи утечки. Обнаружено, что отжиг ОаЛ5(Сг)-детектора с меза-структурой при температурах выше 350°С и последующая выдержка на воздухе или в атмосфере кислорода приводят к существенному снижению и долговременной стабилизации поверхностных токов утечки независимо от газа, в котором был проведен отжиг.

6 Предложена новая конструкция координатного детектора на эпитакси-альном материале и разработаны технологии его изготовления, позволяющие устранить влияние поверхностных токов утечки и значительно повысить процент выхода годных структур.

7 Разработаны однокоординатные детекторы, двухкоординатные детекторные матрицы и модули на их основе, с использованием изученных закономерностей, для цифровых сканирующих рентгеновских аппаратов, предназначенных для малодо-зовых медицинских систем общего назначения и маммографии. Проведенные испытания показали их высокую разрешающую способность и контрастную чувствительность, и доказали пригодность их использования в медицинской практике.

8 Разработаны детекторы для экспериментов в физике высоких энергий.

9 Новизна приборов и методов их создания подтверждена двумя патентами России. Практическая значимость разработанных устройств и методов доказана их использованием в различных областях пауки и техники.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1 Г.И. Айзенштат, М.Д. Вилисова, Е.П. Другова, М.А. Лелеков, Д.Ю. Мо-кеев, И.В. Пономарев, Л.П. Пороховниченко, О.П. Толбанов, В.А. Чубирко. Детекторы рентгеновского излучения на эпитаксиальном арсениде галлия // ЖТФ. — 2006. - 'Г. 76, вып.8. - С. 46-49.

2 Г.И. Айзенштат, М.А. Лелеков, О.П. Толбанов. Детекторы на арсениде галлия для маммографии // Изв. вузов. Физика. - 2006, №3. - С. 183-185.

3 Г.И. Айзепштат, М.А. Лелеков, В.А. Новиков, Л.С. Окаевич, О.П. Толба-нов. Токопсренос в детекторах на основе арсеиида галлия, компенсированного хромом // ФТП- 2007. Т. 41, выи. 5. - С. 631 - 634.

4 Г.И. Айзенштат, Е.Х. Бакшт, И.Д. Костыря, М.А. Лелеков, М.И. Ломаев, И.И. Надреев, И.Ф. Нам, М.А. Рожнев, Д.В, Рыбка, С.А. Рябков, В.Ф. Тарасенко, О.П. Толбанов, A.B. Тяжев, Л.Г. Шагговал. Регистрация коротких импульсов рентгеновского излучения при наносекувдном разряде в воздухе атмосферного давления II Приборы и техника эксперимента - 2007. №4.- с. 1-5.

5 Г.И, Айзенштат, М.А. Лелеков, О.П. Толбанов. Измерение высоты барьера на границе металл- полуизолирующий арсенид галлия // ФТП- 2007. Т. 41, вып. П. -С. 1327-1328.

6 Г.И. Айзенштат, М.А. Лелеков, О.П. Толбанов. Динамика формирования фотоответа в детекторной структуре из арсеиида галлия // ФТП- 2008. Т. 42, вып. 4. -

C. 451 -456.

7 Г.И. Айзенштат, К.В. Афанасьев, М.А. Лелеков, В.В. Ростов, О.П. Толбанов. Исследование возможности создания детекторов мощных рентгеновских импульсов наносекундной длительности ira арсениде галлия И Изв. вузов. Физика. -2008,№9.-С. 14-19.

8 М.А. Лелеков, Д.Г. Прокопьев, Г.И. Айзенштат, О.П. Толбанов. Координатные детекторы на арсениде галлия И Изв. вузов. Физика. - 2008, №9/3. - С. 16-18.

9 М.А. Лелеков, Д.Г. Прокопьев. Матричный рентгеновский детектор на арсениде галлия // Известия вузов. Физика. - 2008, №9/3. - С. 29-31.

10 Патент Российской Федерации RU 2306633. Полупроводниковый координатный детектор ионизирующего излучения / Г.И. Айзенштат, М.А. Лелеков, А.И. Иващенко, О.П. Толбанов. -2006.

И Ayzenshtat G.I., Vilisova M.D., Lelekov М.А., Ivashchenko A.I., Mokeev

D.Yu., Porokhovnichenko L.P., Tolbanov O.P., Shapoval L.G. Detectors for X-ray testing systems // IEEE International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON-2005). Proceedings.-2005.- P.72-77.

12 Nam 1., Lelekov M., Mokeev D. Application of gallium arsenide detectors in digital mammography apparatus II The 9th Russian-Korean International Symposium on

Science and Technology (KORUS2005). Proceedings. - Novosibirsk: The Novosibirsk State Technical University, 2005. - P. 247-248.

13 А.П. Воробьев, C.H. Головня, C.A. Горохов, В.В. B.B. Парахин, М.К. Полковников, Г.И. Айзенштат, М.А. Лелеков, О.Б. Корецкая, В.А. Новиков, О.П. Толбанов, А.В. Тяжсн, Д.В. Бородин, Ю.В. Осипов Матричный арсенид-галлиевый детектор 128x128 элементов для рентгенографии // Препринт ИФВЭ 2006-2. -Протвино, 2006. - 9 с.

14 Г.И. Айзенштат, М.А. Лелеков, В.А. Новиков, Л.П. Пороховниченко, Д.Г. Прокопьев, О.П. Толбанов, А.В. Тяжев, Л.Г. Шаповал. Арсеиидогаллиевые детекторы для маммографии // Девятая конференция «Арсенид галлия и полупроводниковые соединения группы I1I-V» (3-5 октября 2006 г., Томск, Россия) «GaAs-2006»: Материалы конференции. - Томск: Томский госуниверситет, 2006. - С. 477-480.

15 Д.Л. Будницкий, Д.Ю. Мокеев, В.А. Новиков, О.П. Толбанов, А.В. Тяжев, М.А. Лелеков, И.В. Пономарев, Г.И. Айзенштат, И.И. Надреев, И.Ф. Нам, М.А. Рожнев, С.А. Рябков. Детекторный модуль для сканирующих систем рентгеновского контроля // Девятая конференция «Арсенид галлия и полупроводниковые соединения группы 11I-V» (3-5 октября 2006 г., Томск, Россия) «GaAs-2006»: Материалы конференции. - Томск: Томский госуниверситет, 2006. - С. 493-495.

16 Д.Л. Будницкий, Д.Ю. Мокеев, В.А. Новиков, О.П. Толбанов, А.В. Тяжев, М.А. Лелеков, И.В. Пономарев, Г.И. Айзенштат, И.И. Надреев, И.Ф. Нам, М.А. Рожнев, С.А. Рябков, Б.Р. Короткое, С.Б. Чащин. Блок детектирования на основе GaAs-детекторов для сканирующих рентгеновских систем неразрушающего контроля // Девятая конференция «Арсенид галлия и полупроводниковые соединения группы III-V» (3-5 октября 2006 г., Томск, Россия) «GaAs-2006»: Материалы конференции. -Томск: Томский госуниверситет, 2006. - С. 533-536.

17 Патент Российской Федерации RU 2006116673. Детекторный модуль / О.П. Толбанов Г.И. Айзенштат, М.А. Лелеков, А.В. Тяжев. -2006.

18 Ayzenshtat G.I., Lelekov М.А., Tolbanov О.Р. The barrier height measurement at the boundary of metal-semi-insulating gallium arsenide // IEEE Internationa) Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON-2007). Proceedings. - Tomsk: 2007,- P.211-214.

19 Ayzenshtat G.I., Lelekov M.A., Tolbanov O.P., Shapoval L.G. The undestroy-ing quality monitoring method for the GaAs detector stntctures // IEEE International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON-2007). Proceedings. - Tomsk: 2007,- P. 219-222.

Список цитируемой литературы

1 Блинов H. H., Варшавский Ю.В., Зеликман М.И., Цифровые преобразователи изображений для медицинской радиологии. Компьютерные технологии в медицине. М., Компьютерные технологии в медицине, 3(1997), с. 19-24.

2 McGregor D.S., Hermon H. Room-temperature compound semiconductor radiation detectors//Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. 1997-A395 - P.101-124.

3 Buttar C.M. GaAs detectors - A review. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research.-1997-A 395 P. 1-8.

4 Ayzenshtat G.I., et al., Proceedings of the Third International Workshop on Radiation Imaging Detectors, Orosei, Sardinia, Italy, September 23-27, 2001, pp. 96-101.

5 Tyazhev A.V. et. al.GaAs radiation imaging detectors with an active layer thickness up to 1 mm // Nucl. Instr. and Meth.- 2003.-A509- p.34-39.

Подписано к печати 24.02.2009. Тираж 100 экз. Кол-во стр. 23. Заказ №05-09 Бумага офсетная. Формат А-5. Печать RISO. Отпечатано в типографии ООО «РауШ мбх» Лицензия Серия ГЩ № 12-0092 от 03.05.2001г. 634034, г. Томск, ул. Усова 7, ком. 046 тел. (3822) 56-44-54