Разработка и исследование арсенидгаллиевых детекторов ионизирующих излучений с разделенными областями накопления и считывания заряда тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

На правах рукописи

Кацоев Валерий Витальевич

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ АРСЕНИДГАЛЛИЕВЫХ ДЕТЕКТОРОВ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ С РАЗДЕЛЕННЫМИ ОБЛАСТЯМИ НАКОПЛЕНИЯ И СЧИТЫВАНИЯ ЗАРЯДА

Специальность: 01.04.10 - физика полупроводников

АВТОРЕФЕРАТ диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 2008

003455668

Работа выполнена на кафедре квантовой физики и наноэлектроники Московского государственного института электронной техники (технического университета)

Научный руководитель:

Ильичев Эдуард Анатольевич

доктор физико-математических наук, профессор

Официальные оппоненты:

Гергель Виктор Александрович доктор физико-математических наук, профессор

Федорченко Станислав Николаевич

кандидат технических наук

Ведущая организация: Московский физико-технический институт

Защита состоится «/3 » 2008 г. в /Шчасов на заседании

диссертационного совета Д212.134.01 при Московском государственном институте электронной техники (ТУ) по адресу: 124498, Москва, Зеленоград, МИЭТ (ТУ), проезд 4806, д.5

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного института электронной техники (ТУ).

Автореферат разослан « & » /i0.tif2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук, доцент < '^Су/ь* Крупкина Т.Ю.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Информативность любого субатомного опыта напрямую определяется возможностями тех детекторов, которые в нём используются. История ядерной физики и физики частиц - это, по существу, история создания всё новых методов регистрации частиц и совершенствования старых. В настоящее время в арсенале физиков имеется большое число отдельных детекторов и детекторных систем.

Функции их многообразны - регистрация «события», определение энергетических и координатных характеристик частиц, избирательная регистрация определенной частицы на фоне других частиц.

Основой любой системы регистрации ионизирующего излучения являются детекторы, снабженные сервисной электроникой (схемы первичной обработки сигнала и средства ЭВМ), предназначенной для визуализации изображения. В качестве рабочего тела таких детекторов используются газы, жидкости, либо твердые тела.

Основным достоинством газовых детекторов, принцип действия которых основан на ионизации рабочего газа и пропорциональном преобразовании энергии кванта (частицы) в ток упомянутых ионов, является высокая стойкость к радиационным нагрузкам. К недостаткам относится неудовлетворительное пространственное разрешение, что препятствует их использованию в системах позиционирования пучка, либо распознавания плоских изображений. Кроме того, детекторы на основе газовых камер имеют длинные треки из ионизированных частиц, низкую поглощательную способность и большие геометрические размеры. В лучших пропорциональных счетчиках достигаются величины энергетического разрешения порядка 3% при энергии заряженных частиц ~1 МэВ. Плоские дрейфовые (проволочный газонаполненный ионизационный детектор) камеры больших размеров используются в экспериментах на ускорителях высоких энергий. Так в ЦЕРНе разработана дрейфовая камера размером 2x4x5 м3.

Ионизационные детекторы с жидким рабочим телом (с жидким аргоном и ксеноном) находят широкое применение. Создана жидкостная ионизационная камера с очень высоким пространственным разрешением (20 мкм). Лучшее энергетическое разрешение (34 кэВ) получено в ЬАг ионизационной камере для энергии квантов 976 кэВ, так что относительная величина энергетического разрешения составляет ~ 3,5%.

/

Другая область применения жидких ионизационных детекторов - это калориметры для измерения энергии релятивистских частиц.

Твердотельные, в частности полупроводниковые, детекторы имеют неоспоримые преимущества перед выше нами перечисленными: 1) высокое энергетическое разрешение (~ на 2 порядка выше прототипов) и быстродействие; 2) более высокая плотность регистрирующего вещества, что особенно существенно при регистрации фотонов и заряженных частиц высокой энергии. Такие детекторы могут быть как дискретными, так и многоэлементными (микрополосковые детекторы, либо матрицы). В настоящее время с их использованием связывают ряд крайне важных областей.

• Медицинские применения - цифровые рентгеновские маммографы и томографы с дозовой нагрузкой на пациента, более чем в 100 раз меньшей по сравнению с существующими аналогами. В частности, в сотрудничестве с производителем медицинского оборудования Vatech, компания Samsung Electronics в 2008 году разработала плоскопанельный рентгеновский детектор (flat panel X-ray detector, FPXD) для рентгеновских установок. Геометрические размеры матрицы, на которой формируется изображение, составляют 45 х 46 см (61 см по диагонали), разрешение — 3072 х 3072 пикселя (9,4 Мп).

Область применения детектора Samsung не ограничивается медициной. Например, FPXD может стать частью систем контроля качества строительства или систем безопасности в аэропортах.

В целом же, современный зарубежный цифровой комплекс для общей диагностики стоит 500 и более тысяч долларов (выпускают Hitachi (Япония), Aloka (Япония), General Electric (США), Siemens (Германия) и ДР)-

• Промышленные применения: дефектоскопы; системы неразрушающего контроля различных промышленных объектов, включая конструкции стратегических объектов - например, ядерные реакторы, трубы газопроводов; антитеррористический контроль, и т.д.

Например, металлооксидные полупроводниковые датчики сероводорода General Monitors (высокая чувствительность, воспроизводимость результатов, крепость конструкции и надежность работы в широком диапазоне температур и влажности) идеально подходят для применения на бурильных нефтегазодобывающих установках, на предприятиях нефтепереработки и производства нефтепродуктов, а также для целого ряда других промышленных применений, где присутствует

сероводород. Возможность проводить одноточечное калибрование значительно снижает время и стоимость их обслуживания.

• Экологический и технологический контроль: координатные детекторы заряженных частиц для предприятий современной физики высоких энергий; системы экологического мониторинга окружающей среды и территорий атомных объектов, и т.д.

В настоящее время наибольшее распространение получили полупроводниковые детекторы из кристаллов кремния и сверхчистого германия (HPGe). Например, один из лучших гамма-спектрометров фирмы "Canberra" (США) с полупроводниковым детектором из HPGe с тонким бериллиевым окном имеет следующие характеристики: диапазон регистрируемых энергий - от 3 кэВ до 3 МэВ; энергетическое разрешение - 1,5 кэВ по линии 122 кэВ (относительная величина ~ 1,5%) от радионуклида Со57 и 2,2 кэВ, по линии 1332 КэВ от радионуклида Со60.

Лучшее пространственное разрешение (~10 мкм) достигнуто в кремниевых микростриповых детекторах; временное разрешение - 10"8 с.

Однако, современным кремниевым детекторам свойственен и ряд существенных недостатков. Так, в твердотельных детекторах на основе высокоомного кремния, области преобразования энергии кванта (частицы) в неравновесные электронно-дырочные пары и последующего считывания носителей в виде тока во внешнюю цепь пространственно совмещены. В силу этого, в такой конструкции, считывание заряда во внешнюю цепь приводит к потери информационного сигнала, а регистрируемые пороговые величины ионизирующих излучений, энергетическое разрешение и энергетические шумы определяются не только фоновыми («темновыми») токами, но и тепловыми и генерационно-рекомбинационными шумами, значительными при считывании токов в высокоомных материалах. К недостаткам кремниевых твердотельных детекторов относится также и их низкая стойкость к дозовым радиационным нагрузкам.

Последний из недостатков можно преодолеть посредством использования таких альтернативных твердотельных материалов как, например, арсенида галлия, искусственных алмазов и PbSeEu. Уровень развития технологии роста алмазных пленок и приборных технологий на алмазных материалах на сегодняшний день значительно уступает развитию кремниевых технологий. Твердые растворы на основе PbSeEu обладают значительной величиной коэффициента поглощения у-квантов. Однако, в силу узкозонности материала (необходимость охлаждения датчиков) и сложных технологических проблем реализации в них

качественных р-п переходов (значительные токи утечки и малые пробойные поля при обратном смещении) трудно ожидать, что в ближайшие годы эти материалы составят значимую конкуренцию в этом качестве. Таким образом, учет физических характеристик материалов и достигнутый уровень развития на этих материалах ростовой и маршрутной технологий, позволяют ожидать, что наиболее значимую конкуренцию кремнию в области детектирования ионизирующих излучений (особенно в области больших энергий и потоков) может составить арсенид галлия и твердые растворы на его основе. В настоящее время множество лабораторий мира продолжают участвовать в разработках арсенид галлиевых детекторов резистивного и барьерного типов для указанных применений.

Между тем, актуальной остается задача создания детектирующих систем, способных регистрировать слабые потоки ионизирующего излучения. Это особенно важно в проектировании и изготовлении базовых модулей детектирующих систем в медицине, в развитии которых наблюдается устойчивая тенденция к снижению дозовых нагрузок на пациента, а также при разработке систем экологического мониторинга.

Целью настоящей работы является разработка и исследование активного детектора интегрального типа с низким порогом регистрации и низким уровнем шума, позволяющего регистрировать малые потоки ионизирующих излучений.

Достичь указанной цели предполагается посредством предложенной и запатентованной в нашей работе конструкции, позволяющей накапливать информационный заряд и неразрушающим образом считывать его в процессе накопления в любой желаемый момент времени. Это позволяет существенно понизить порог регистрации излучения. Основное конструктивное отличие такого детектора -пространственное разделение области накопления заряда и цепи считывания информации о накопленном заряде. При этом, реализуется считывание информации о заряде либо токовое - по существенно менее шумящему каналу полевого транзистора, сформированного в эпитаксиальном проводящем слое, либо посредством считывания соответствующего информационному заряду потенциала. Предлагаемая конструкция позволяет детектировать плоские изображения в потоках частиц либо ионизирующих излучений. Потенциальный вариант считывания информационного заряда в таких конструкциях особенно эффективен при реализации детекторов пиксельной организации.

Одним из этапов разработки является выбор материала приемной области детектора. Он сделан в пользу полуизолирующего арсенида галлия. В рамках этого этапа разработки проведены теоретические исследования условий образования полуизолирующего СаАБ.

Научная новизна работы

1. Предложена модель возникновения физических механизмов и условий, приводящих к образованию полуизолирующего арсенида галлия. Численным решением уравнения электронейтральности установлена математическая зависимость для данного материала концентрации свободных носителей заряда от концентрации ГЭЦ (глубоких энергетических центров) при заданной величине энергии залегания глубокого центра и суммарной концентрации мелкой акцепторной и донорной примеси. Исходя из полученных зависимостей определены оптимальные соотношения между легирующими компонентами материала, приводящие к реализации проводимости материала близкой к собственной.

2. Предложены принципы реализации низкопороговых детекторов и запатентованы конструкции дозиметрических детекторных ячеек с разделенными областями накопления и считывания заряда. Детектор, изготовленный в рамках предложенной конструкции, позволяет преобразовывать энергию частиц либо квантов ионизирующего излучения в неравновесные электронно-дырочные пары, накапливать и хранить информационный заряд и неразрушающим образом считывать во внешнюю цепь информацию о накопленном заряде в произвольный момент времени.

3. Предложена физико-математическая модель процессов, протекающих в детекторах с разделенными областями накопления и считывания заряда, позволяющая в отличие от существующих моделей количественно оценить величину заряда на ловушках в произвольный момент времени как функцию потоков ионизирующих частиц, энергии ловушек, их концентрации и температуры.

Практическая ценность

Представлен новый класс активных детекторных устройств интегрального типа - детекторы с разделенными областями накопления и неразрушающего считывания информации, эффективных в качестве дозиметров слабых потоков ионизирующего излучения с низким порогом регистрации излучения и низким уровнем шума.

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы были доложены на следующих конференциях:

XII Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2005», Москва, МИЭТ

XIII Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2006», Москва, МИЭТ

Всероссийская научно-техническая конференция «Новые материалы и технологии»-НМТ-2006, Москва, МАТИ

XIV Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2007», Москва, МИЭТ

Научная сессия МИФИ-2008

XV Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2008», Москва, МИЭТ

51-я научная конференция МФТИ, 2008

а также в выступлениях на семинарах в НИИФП им. Ф.В. Лукина

Публикации

По теме диссертационных исследований опубликовано 13 печатных работ, получено 1 авторское свидетельство и 2 патента РФ.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из 4 глав и Заключения, изложенных на 123 страницах машинописного текста формата А4, содержит 34 рисунка иллюстраций и список использованных источников из 70 наименований.

Положения, выносимые на защиту

1. Модель полуизолирующего СаАз, предложенная по результатам теоретических исследований, позволяющая определить условия необходимые для формирования полуизолирующего материала. Отличительной особенностью предложенной модели является установление зависимости концентрации свободных носителей заряда (удельного сопротивления материала) от концентрации ГЭЦ и заданных параметрах материала - результирующей концентрации мелкой (легирующей) примеси ^-Мо=1015 см"3 и глубины залегания ГЭЦ (относительно дна зоны проводимости Ес)Ес-Ет~Е^2

2. Принцип организации детекторных ячеек нового типа и их конструктивная реализация в виде ячеек с разделенными областями накопления и считывания заряда, а также физико-математическая модель процессов, протекающих в указанных детекторных ячейках, позволяющая количественно оценить величину информационного заряда на ловушках в произвольный момент времени.

3. Разработанный пакет программ для моделирования и расчета рабочих характеристик детектора, позволяющих рассчитать регистрируемый сигнал (ток, потенциал) в зависимости от параметров материала приемной области детектора (ГЭЦ и концентрации компенсирующей примеси) и температуры, путем численного расчета системы дифференциальных уравнений, заложенных в физико-математическую модель.

4. Технологический маршрут изготовления детекторов с разделенными областями накопления и считывания заряда и его особенности.

Содержание работы

В первой главе диссертации обосновывается актуальность работы, дан развернутый анализ состояния проблемы на сегодняшний день. Здесь же предложен подход к решению поставленной задачи, сформулированы основные положения выносимые на защиту, научная новизна^, и практическая ценность полученных результатов работы.

Актуальность определяется существующими проблемами в области развития детекторов и детекторных систем для задач позиционирования и регистрации дозовых нагрузок потоков частиц и квантов малой плотности и малых доз.

По результатам анализа существующего положения в этой области с учетом специфики такого альтернативного материала как полуизолирующий арсенид галлия (Б1 ваАз) были сформулированы цели и задачи диссертации.

Во второй главе диссертационной работы предложен подход к конструированию характеристик приемной области детектора. В предлагаемом детекторе с разделенными областями накопления и считывания заряда, который будет подробно рассмотрен и проанализирован в последующих главах диссертационной работы, в качестве слоя накопителя (приемный слой детектора) и хранителя информативного заряда предполагается использовать полуизолирующий слой арсенида галлия. Ожидания эффективности подхода от хранения заряда на ловушках (ГЭЦ) полуизолирующего слоя базируются на высоких значениях сечения взаимодействия квантов и высокоэнергетических частиц с арсенидом галлия и аномально больших сечениях захвата генерируемых неравновесных носителей ловушками высокомных кристаллов арсенида галлия.

Предложена и исследована физико-математическая модель образования полуизолирующего арсенида галлия. Проблема получения высококачественных монокристаллов полуизолирующего арсенида галлия, несмотря на свой преклонный возраст и значительность успехов в развитии приборных (в основном СВЧ) применений этого материала,

продолжает оставаться острой. Нами предпринята попытка уточнения необходимых условий надежного воспроизводства слиточного полуизолирующего СаАэ с заданными электрическими свойствами. Предложена физико-математическая модель реализации физических механизмов и условий, приводящих к образованию полуизолирующего арсенида галлия.

Результатом анализа материала с использованием указанной модели, является установление зависимости концентрации свободных носителей заряда (удельного сопротивления материала) от концентрации глубоких энергетических центров (ГЭЦ) и компенсирующей примеси при постоянных параметрах материала: в частности, результирующей концентрации мелкой компенсирующей примеси Л^-Л'д ~ 1015 см*3 и глубины залегания ГЭЦ Ес-Ет ~Е/2.

Уравнение электронейтральности, заложенное в модель, можно преобразовать с использованием соответствующих соотношений статистики к следующему виду:

п2 +п- (ЫА - -А/д) - п] = Ыс с{Епп-Ес)1кТ (1) п2 +п-{ИА-Ы0-ЫВ0)-п2 п

Уравнение (1) позволяет получить функциональную связь между концентрацией свободных носителей, а также концентрацией, энергией и сечением захвата ГЭЦ и концентрацией мелкой компенсирующей примеси для материалов в присутствии глубоких энергетических центров и компенсирующей примеси. Оно является кубическим относительно п с переменным значением коэффициента при п. Численное решение данного уравнения, представленное на рис. 1, получено нами в программе МАТЬАВ 7.0 и при комнатной температуре, определяет зависимости для и и р как функции концентрации глубокого уровня при таких типичных параметрах для нелегированного полуизолирующего йаАэ как и,= 107 см"3 и ИА-ЫВ = 1015 см"3.

Из рис. 1 видно, что в диапазоне ЫА> (N0+ ) материал имеет р-тип проводимости. При ЫА - Ы0 = 1015 см'3 появляются благоприятные условия для наблюдения устойчивого поведения близкого к «собственному», поскольку концентрация носителей остается в пределах величины ~ п, несмотря даже на то, что для допускаются изменения от 5Т015 до 5-1016 см'2. Если Иво > (N4 - то материал может иметь как п, так и р-тип проводимости, в зависимости от того больше или

меньше значение величины концентрации электронов п по сравнению с собственной концентрацией п,. Также на рис.1 представлено решение предельного случая (Л^ - N^=0. Сравнение двух решений на рис.1 демонстрирует чрезвычайную важность компенсации. Действительно, как следует из рисунка, концентрация носителей в случае (Л^ - ЛУ=0 на три-

постоянными значениями (N¿-N0), Е№- Ес ~Ев/2 и переменной Лдд.

и ниже центра зоны на величину 4кТ.

На рис.2 показано два решения уравнения (1) в случае, когда глубокий уровень лежит примерно на 4кТ выше и на 4кТ ниже середины запрещенной зоны.

Если глубокий уровень донора лежит выше центра зоны, то, как видно из графика, диапазон в пределах которого концентрация свободных носителей близка к собственной, резко сужается, налагая экстремальные требования на однородность. С другой стороны, если глубокий уровень донора лежит ниже центра зоны, то потребуется большая концентрация глубоких центров для того, чтобы достичь концентраций близких к собственным. При этом высокая концентрация глубоких уровней будет понижать подвижность и возрастет интенсивность генерационно-рекомбинационных шумов.

Численный анализ физико-математической модели полуизолирующего арсенида галлия, сформулированной в виде системы кинетических уравнений и уравнения баланса заряда, в условиях возможных переходов носителей в многуровневой энергетической системе, позволил уточнить оптимальные соотношения между легирующими компонентами материала. Результаты вычислений указывают на необходимость как наличия глубоких энергетических уровней, так и компенсирующих донорной и акцепторной мелкой примеси. Доказана важность нахождения ГЭЦ вблизи середины запрещенной зоны, что позволяет избежать необходимости включения чрезмерно большого количества глубоких энергетических центров в материал.

В этой же главе представлены новый класс детекторных устройств -детекторы с разделенными областями накопления и считывания информации с двумя возможными вариантами считывания информационного заряда: токовым и диодным. Одно из преимуществ нашего подхода и конструкций - возможность регистрации слабых потоков ионизирующего излучения с низким порогом регистрации излучения и низким уровнем шума. Конструкция предлагаемого детектора с накоплением заряда позволяет преобразовывать энергию частиц либо квантов ионизирующего излучения в неравновесные электронно-дырочные пары, накапливать и хранить заряд на ловушках полуизолирующего слоя и неразрушающим образом считывать информацию о накопленном заряде (в том числе и текущую - в процессе накопления) во внешнюю цепь.

Конструкция прибора с «токовым» режимом считывания позволяет существенно повысить чувствительность, так как устраняет при

считывании вклады тепловой и дробовой компонент шума, свойственные резистивным детекторам на основе высокоомного компенсированного материала (81 ваАз), так как реализует считывание информации о заряде по проводящему, существенно менее шумящему каналу полевого транзистора. Для детектирования плоских изображений в потоках частиц либо ионизирующих излучений с высоким пространственным разрешением предлагается барьерная (диодная) модификация многоэлементной конструкции детектора с накоплением заряда. Локальное считывание информации об информационном заряде осуществляется посредством регистрации потенциала на электроде затвора, находящимся под «плавающим» потенциалом.

Представлена физико-математическая модель процессов накопления и считывания информации в предложенных детекторах с разделенными областями накопления и считывания. В рамках предложенной модели и в соответствии с разработанной процедурой расчета рабочих характеристик детектора оценены регистрирующие способности предлагаемого детектора в различных режимах его работы как при регистрации квантов оптического диапазона частот {Ь<х>~Ев=1.43 эВ), так и при детектировании а-частиц с первоначальной энергией Е0=5 МэВ. Разработан пакет прикладных программ для моделирования и расчета рабочих характеристик детектора.

Третья глава диссертации посвящена изготовлению детекторов. Выработаны требования к материалам и условиям эксплуатации детекторов, выбрана архитектура детекторной структуры. Разработан технологический маршрут изготовления детекторов с разделенными областями накопления и считывания информации. Разработана архитектура приборной структуры и топология рабочего кристалла, включающего обе упомянутые выше конструкции и тестовые элементы. Изготовлен комплект фотошаблонов. Детекторы с разделенными областями накопления и считывания заряда в различных модификациях (дискретного и линейчатого типа) изготовлены в едином технологическом цикле в НОЦ "Квантовые приборы и нанотехнологии" (МИЭТ, Зеленград). Исходные эпитаксиальные структуры выращены Г. Галиевым в ИРЭ РАН.

В представленной на рис.3 конструкции изготовленный детектор («токовый» режим считывания информации) содержит: арсенидгаллиевую подложку I с контактом к ней, полуизолирующий СаАэ слой 2, изолирующий монокристаллический слой 3 из ОаА1АБ, легированный слой 4 ОаАэ п-типа проводимости, высоколегированный

п+-слой 5, и расположенные на нем два омических (6 и 7) и один барьерный 8 контакты, барьерный контакт 9 в виде замкнутого кольца.

Кристалл содержит два уровня металлизации: 1-й уровень -барьерный контакт в виде замкнутого кольца для обеднения приемного слоя детектора по дыркам; 2-й — контактные площадки и гальваническая связь к областям стока, истока и затвора. Считывающая цепь, выполненная в виде транзитора, активная часть которого расположена на "мезе", сформированной путем химического травления на заданную глубину. Функционально, формирование активной области в виде "мезы" выполняет межэлементную изоляцию в плоскости пластины.

6 7

с I 8 I И

0,15 мкм \ 0,8 мкм

АчСг 0.2 мкм .V,

0,4 мкм

п-СаАя

¡-АЬ;вОац75Аа

— 4

Кг

I - СтаАл

подложка ПИ СаАг (100)

Рис.3. Арсенидгаллиевый детектор ионизирующих излучений с разделенными областями накопления и считывания заряда (в транзисторном варианте).

Кристалл пассивируется оксидом кремния, в пленке которого с целью предотвращения зарядки диэлектрика ионизирующим излучением в процессе эксплуатации прибора, производится в вскрытие

приемных окон. Тестовые элементы включают тесты на вскрытие окон в диэлектрике, на электрическую прочность диэлектрика, на контактное сопротивление областей исток-стока, на характеристики контактов и барьеров Шоттки.

Четвертая глава диссертации посвящена исследованиям физических свойств материалов приемных слоев детекторов и процессов захвата, хранения и считывания ими информации.

Принципиальным отличием арсенидгаллиевых материалов и технологий является присутствие как неконтролируемых, так и

сознательно введенных глубоких энергетических центров с концентрациями близкими (а нередко и превышающими) концентрации легирующей примеси. Определяющее влияние глубоких уровней подложек на механизмы транспорта в них носителей и параметры приборов и схем обосновано многочисленными теоретическими и экспериментальными исследованиями.

В рамках настоящей работы выполнены экспериментальные исследования полевых и температурных зависимостей электропроводности полуизолирующего ваАэ в зависимости от параметров ГЭЦ. Для определения последних используется неразрушающий метод локальной диагностики параметров ловушек в полуизолирующих материалах, - РОСГУ (метод релаксационной оптоэлектронной спектроскопии глубоких уровней). Изучение механизмов проводимости полуизолирующих материалов проводилось на лабораторных измерительных стендах. В результате установлено, что ток через ячейку ограничивается объемом ¡-слоя, а не барьерными контактами (по механизму Френкеля-Пула).

Результаты измерений параметров ловушек в приемном слое использованы при обработке промоделированных зависимостей рабочих характеристик детекторов в зависимости от параметров детектируемого пучка.

В Заключении перечислены результаты работы, сформулированы основные положения.

Основные результаты и выводы

1. Определены условия, выполнение которых позволяет реализовать в компенсированном глубокими энергетическими центрами полуизолирующем арсениде галлия при комнатной температуре проводимость близкую к собственной проводимости арсенида галлия. Результаты вычислений указывают на необходимость наличия глубоких энергетических уровней, концентрация которых больше, но по порядку величины сравнима с разностной концентрацией мелкой примеси. Доказана важность нахождения ГЭЦ в середине запрещенной зоны, что позволяет избежать необходимости включения чрезмерно большого количества глубоких энергетических центров в материал.

2. В рамках разработанной физико-математической модели проведено моделирование и расчет рабочих характеристик детектора с разделенными областями накопления и считывания заряда при детектировании квантов оптического диапозона частот (/гт~Е8=1.43 эВ) и а-частиц (Е0=5 МэВ). Выполнено это в программном модуле БтиНпк и в программах, разработанных автором в математическом пакете МаНаЬ. В режиме накопления заряда на ловушках приемного слоя детектора установлена зависимость тока транзистора от времени накопления заряда 1сб=Ь5(0 и от параметров ловушек.

3. Получены два патента РФ на предложенные конструкции арсенидгаллиевых детекторов с разделенными областями накопления и считывания заряда в потенциальном и токовом режимах (диодный и транзиторный вариант) считывания информации о заряде.

4. Разработан и представлен технологический маршрут изготовления детекторов с разделенными областями накопления и считывания заряда; изготовлены лабораторные образцы детекторных структур с разделенными областями накопления и считывания заряда в различных модификациях (дискретного и линейчатого типа).

5. Проведены экспериментальные исследования в области накопления и хранения заряда в детекторах с разделенными областями накопления и считывания заряда. В частности, проведены измерения кинетических коэффициентов, исследованы механизмы транспорта заряда, а также проведены измерения энергетического спектра ловушек в области накопления и хранения заряда.

Основные результаты опубликованы в следующих работах

1. Кацоев В. В., Кацоев Л. В., Болотов И. Н. «Особенности разработки арсенидгаллиевых детекторов ионизирующих излучений», XII Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2005», Тезисы докладов, стр. 21, Москва, 2005.

2. Кацоев В. В. «Разработка конструкции твердотельных детекторов на основе арсенида галлия», XIII Всероссийская

межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2006», Тезисы докладов, стр. 10, Москва, 2006.

3. Кацоев В.В. «Разработка арсенидгаллиевых детекторов с разделенными областями накопления и считывания заряда», Всероссийская научно-техническая конференция «Новые материалы и технологии»-НМТ-2006, Тезисы докладов, стр. 33, Москва, 2006

4. Кацоев В. В. «Компенсация глубокими уровнями в образовании полуизолирующего GaAs», XIV Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2007», Тезисы докладов, стр, 9, Москва, 2007.

5. Кацоев В.В. «Разработка конструкции и технологического маршрута изготовления арсенидгаллиевых детекторов с разделенными областями накопления и считывания заряда», Сб. научных трудов «Нанотехнологии в электронике», стр.123-129, Москва, 2007.

6. Горбацевич A.A., Егоркин В.И., Ильичев Э.А., Кацоев В.В., Кацоев Л.В., Полторацкий Э.А., Ревенко В.Г., Шмелев С.С. Твердотельный детектор ионизирующих излучений. Патент РФ №2307425, приоритет от 24.04.2006, выдано 27.02.2007.

7. Горбацевич A.A., Егоркин В.И., Ильичев Э.А., Кацоев В,В., Кацоев JI.B., Полторацкий Э.А., Ревенко В.Г., Шмелев С.С. Арсенидгаллиевый детектор ионизирующих излучений. Патент РФ №2307426, приоритет от 24.04.2006, выдано 27.02.2007.

8. Кацоев JI.B., Кацоев В.В., Ильичев Э.А., Гореленок А.Т., Томасов A.A., Шмидт Н.М., Иванников А.Е., Федоров П.А. «Разработка детекторных модулей, включающих собственно детекторы на основе GaAs и умножители потока электронов на основе микро(нано) структурировнных алмазных пленок», Научная сессия МИФИ-2008, Тезисы докладов, Т.8, стр. 104-105.

9. Кацоев В.В., Кацоев Л.В., Ильичев Э.А "К вопросу о роли глубоких энергетических центров в компесации примесей в полуизолирующем арсениде галлия"// Микроэлектроника, №5, 2008.

10. Кацоев В.В., Кацоев JI.B., Ильичев Э.А "Оптимизация геометрии структуры арсенидгалиевых детекторов с учетом рекомбинационных потерь" // Электроника. Известия ВУЗов, №4,2008.

11. Кацоев В.В. «Разработка детекторов с накоплением информативного заряда на основе мезаструктур», XV Всероссийская

межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2008», Тезисы докладов, стр. 8, Москва, 2008.

12. Ильичев Э.А., Кацоев В.В., Кацоев Л.В.// Авт. Свид. №2007630011, приоритет от 26.12.2006, выдано 21.02.2007

13. Кацоев В.В., Кацоев Л.В. "Детекторные модули ионизирующих излучений для высокоэнергетических систем", Труды 51-й научной конференции МФТИ «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук», Ч. V, стр. 232-234, Москва, 2008.

Подписано в печать

Заказ № Тираж 70 экз. Уч.-изд. Л. 1,2. Формат 60x84 1/16

Отпечатано в типографии ИПК МИЭТ.

124498, Москва, Зеленоград, МИЭТ (ТУ), проезд 4806, д.5

ГЛАВА I. ВВЕДЕНИЕ: ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ.

1-1. Цели и задачи диссертации. Ее структура. Предлагаемые способы решения проблемы.

1-2. Актуальность работы. Состояние проблемы.

1-3. Научная новизна работы.

I-4. Практическая ценность.

ГЛАВА II. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ КОНСТРУКЦИИ И ПРИНЦИПОВ, ПОЛОЖЕННЫХ В ОСНОВУ ЕЕ РАБОТЫ.

II-1. Конструирование свойств приемного слоя детектора.

II-2. Два вида конструкции детекторов (детекторных ячеек) с разделенными областями накопления и считывания заряда, принципы их работы.

II-3. физико-математическая модель процессов накопления и считывания информации в детекторах с разделенными областями накопления и считывания заряда, расчет регистрирующих способностей детекторов.

ГЛАВА III. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ДЕТЕКТОРОВ С РАЗДЕЛЕННЫМИ ОБЛАСТЯМИ НАКОПЛЕНИЯ И СЧИТЫВАНИЯ ИНФОРМАЦИИ. iii-1. требования к материалам и к архитектуре структуры; использованные материалы и архитектура структуры.

III-2. Технологический маршрут изготовления детекторов с разделенными областями накопления и считывания и его особенности.

III-3. Содержание кристалла и топология детекторных ячеек; комплект фотошаблонов.

ГЛАВА IY. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СЛОЯ ХРАНЕНИЯ ИНФОРМАЦИОННОГО ЗАРЯДА В ДЕТЕКТОРАХ С РАЗДЕЛЕННЫМИ ОБЛАСТЯМИ НАКОПЛЕНИЯ И СЧИТЫВАНИЯ ИНФОРМАЦИИ.

IY-1. Измерение кинетических коэффициентов (подвижности, концентрации, удельного сопротивления) в области накопления и хранения заряда.

IY-2. Исследования механизмов транспорта заряда в области его накопления и хранения.

IY-3. Измерение энергетического спектра ловушек области накопления и хранения заряда.

IY-4. Экспериментальные исследования процессов захвата, хранения и считывания заряда в детекторах с разделенными областями накопления и считывания информации.

В первой главе диссертации (Введение) дана постановка задачи, показана ее актуальность и дан развернутый анализ состояния проблемы на сегодняшний день. Здесь же представлена идея конструктивного решения указанной проблемы.

Во второй главе диссертационной работы предложен подход к конструированию приемной области детектора. Рассмотрена математическая модель образования полуизолирующего арсенида галлия. Результатом анализа модели и ее отличительной особенностью является установление зависимости концентрации свободных носителей заряда (удельного сопротивления материала) от концентраций глубоких энергетических центров (ГЭЦ) и компенсирующих центров при постоянных параметрах материала: результирующая концентрация мелкой примеси ЫА — ~ 1015 см"3, энергетическая глубина залегания ГЭЦ (относительно дна зоны проводимости Ес ) Ес - Ет ~ Е / 2 при Т=300 К.

Здесь же представлены новый класс детекторных устройств интегрального типа -детекторы с разделенными областями накопления и считывания информации.

Одно из преимуществ предложенного нами подхода и конструкций - возможность регистрации слабых потоков ионизирующего излучения с низким порогом регистрации и низким уровнем шума. Представлена, физико-математическая модель процессов накопления и считывания информации в предложенных детекторах с разделенными областями накопления и считывания. В рамках предложенной модели и в соответствии с разработанной процедурой расчета рабочих характеристик детектора, оценены его регистрирующие способности в различных режимах работы как при регистрации квантов оптического диапозона частот (ййз~Её=1.43 эВ), так и при детектировании а-частиц с первоначальной энергией Е0 = 5 МэВ. Разработан пакет прикладных программ для моделирования и расчета рабочих характеристик детектора.

Третья глава диссертации посвящена изготовлению детекторов. Выработаны требования к материалам и условиям эксплуатации детекторов, выбрана архитектура детекторной структуры. Разработан технологический маршрут изготовления детекторов с

разделенными областями накопления и считывания информации. Разработана топология рабочего кристалла, включающего обе упомянутые выше конструкции и тестовые элементы. Изготовлен комплект фотошаблонов. В соответствии с разработанным нами маршрутом, изготовлены детекторные структуры с разделенными областями накопления и считывания заряда в различных модификациях (дискретного и линейчатого типа) в НОЦ МИЭТ/ФИАН "Квантовые приборы и нанотехнологии".

Четвертая глава диссертации посвящена исследованиям физических свойств материалов приемных слоев детекторов и процессов захвата, хранения и считывания ими информации.

В Заключении перечислены результаты работы, сформулированы основные положения и рекомендации.

1-2. Актуальность работы. Состояние проблемы.

Информативность любого субатомного опыта напрямую определяется возможностями тех детекторов, которые в нём используются. История ядерной физики и физики частиц это, по существу, история создания всё новых методов регистрации частиц и совершенствования старых. Создание новых методов детектирования частиц неоднократно отмечалось Нобелевскими премиями. В настоящее время в арсенале физиков имеется большое число отдельных детекторов и детектирующих систем. Функции их многообразны - регистрация «события» - наличия частицы, определение энергетических и координатных характеристик частиц, избирательная регистрация определенной частицы на фоне других частиц.

Часто в экспериментах приходится выделять «нужные» события на фоне шума от «посторонних» событий, которых может быть в миллиарды раз больше. Для этого используют различные комбинации счётчиков и методов регистрации, применяют схемы совпадений или антисовпадений между событиями, зарегистрированными различными детекторами, отбор событий по амплитуде и форме сигналов, времени пролёта между детекторами, и т. д.

Любая регистрационная система включает как собственно детектор того или иного типа, так и сервизную электронику (схемы первичной обработки сигнала и средства ЭВМ), а также многопрофильное программное обеспечение, предназначенное для визуализации изображения. Детектор является определяющим в общих характеристиках системы.

Один из наиболее общих принципов регистрации частицы состоит в следующем. Заряженная частица, двигаясь в нейтральной среде детектора (газ, жидкость, твердое аморфное или кристаллическое тело), вызывает за счет электромагнитных взаимодействий ионизацию и возбуждение атомов среды. Таким образом, вдоль пути движения частицы появляются свободные заряды (электроны и ионы) и возбужденные атомы. Если среда находится в электрическом поле, то в ней возникает электрический ток, который фиксируется в виде короткого электрического импульса (условно детекторы, использующие этот принцип, будем называть ионизационными). При возвращении возбужденных атомов в основное (невозбужденное) состояние излучаются фотоны, которые могут быть зарегистрированы в виде оптической вспышки в видимой или ультрафиолетовой области. Этот принцип используется в сцинтилляционных детекторах.

При определенных условиях траекторию пролетающей заряженной частицы, можно сделать видимой. Это осуществляется в так называемых трековых детекторах.

Нейтральные частицы (такие как нейтрон или Л-гиперон) непосредственно не вызывают ионизацию и возбуждение атомов среды. Однако они могут быть зарегистрированы в результате появления вторичных заряженных частиц, возникших ядерных реакциях. Гамма-кванты также регистрируются по вторичиым заряженным частицам - электронам и позитронам, возникающим в среде вследствие фотоэффекта, Комптон-эффекта и при рождении электрон-позитронных пар.

Нейтрино, возникшее в результате реакции, в силу исключительно малого сечения взаимодействия со средой (и Ю"20 барн) в большинстве случаев вообще не регистрируется детектором. Тем не менее, факт его появления может быть установлен. Дело в том, что ускользнувшее от непосредственного наблюдения нейтрино уносит с собой определённую энергию, импульс, спин, лептонный заряд. Недостачу обнаруживают, регистрируя все остальные частицы и применяя к ним законы сохранения энергии, импульса, момента количества движения, электрического заряда, лептонного заряда и др. Такой анализ позволяет не только убедиться, в том нейтрино действительно было, но и установить его энергию и направление вылета из зоны реакции.

Быстрораспадающиеся частицы детектор «не успевает» зафиксировать. В этом случае они регистрируются по продуктам распада.

Общие требования к детектирующей аппаратуре сводятся к определению типа частицы (ее идентификации) и её энергетических характеристик. Часто тип частицы известен заранее и задача упрощается. Во многих экспериментах, особенно в физике высоких энергий, используются крупногабаритные и сложные комплексы, состоящие из большого числа детекторов различного типа. Такие комплексы, фиксируя практически все частицы, возникающие в эксперименте, дают достаточно полное представление об изучаемом явлении.

Основными характеристиками детектора являются — квантовая эффективность (вероятность регистрации частицы при попадании её в детектор), временное разрешение (минимальное время, в течение которого детектор фиксирует две частицы как отдельные) и мёртвое время или время восстановления (время, в течение которого детектор после регистрации частицы либо вообще теряет способность к регистрации следующей частицы, либо существенно ухудшает свои характеристики). Если детектор определяет энергию частицы и (или) её координаты, то он характеризуется также энергетическим разрешением (точностью определения энергии частицы) и пространственным разрешением^ (точностью определения координаты частицы).

Детекторы частиц и квантов классифицируются по физическим принципам, положенным в основу их работы, а подчас и по фазовому состоянию и электрофизическим свойствам детектирующей среды.

1. Сцинтилляционные детекторы

Первый сцинтилляционный детектор, названный спинтарископом, представлял собой экран, покрытый слоем ZnS. Вспышки, возникавшие при попадании в него заряженных частиц, фиксировались с помощью микроскопа. Именно с таким детектором Гейгер и Марсден в 1909 г. провели опыт по рассеянию альфа-частиц атомами золота, приведший к открытию атомного ядра. Начиная с 1944 г. световые вспышки от сцинтиллятора регистрируют фотоэлектронными умножителями (ФЭУ). Позже для этих целей стали использовать также фотодиоды.

Сцинтиллятор может быть органическим (органические кристаллы, пластмассы и жидкости) или неорганическим (неорганические кристаллы и стекла). Используются также газообразные сцинтилляторы. В качестве органических сцинтилляторов часто используются антрацен (СмНю), стильбен (С14Н12), нафталин (СюНв). Жидкие сцинтилляторы обычно известны под фирменными именами (например ЫЕ213). Пластиковые и жидкие сцинтилляторы представляют растворы органических флуоресцирующих веществ в прозрачном растворителе. Например, твердый раствор антрацена в полистироле или жидкий раствор р-терфенила в ксилоле. Концентрация флуоресцирующего вещества обычно мала и регистрируемая частица возбуждает в основном молекулы растворителя. В дальнейшем энергия возбуждения передается молекулам флуоресцирующего вещества. В качестве неорганических кристаллических сцинилляторов используются ZnS, Иа1(Т1), Сз1, В140ез012 (В С О) и др. В качестве газовых и жидких сцинтилляторов используют инертные газы (Хе, Кг, Аг, Не) и N.

Так как в органических сцинтилляторах возбуждаются молекулярные уровни, которые излучают в ультрафиолетовой области, то для согласования со спектральной чувствительностью регистрирующих свет устройств (ФЭУ и фотодиодов) используются светопреобразователи, которые поглощают ультрафиолетовое излучение и переизлучают видимый свет в области 400 им.

Световой выход - доля энергии регистрируемой частицы конвертируемая в энергию световой вспышки. Световой выход антрацена ~ 0.05 или 1 фотон на 50 эВ для частиц высокой энергии. У Nal световой выход -0.1 или 1 фотона на 25 эВ. Принято световой выход данного сцинтиллятора сравнивать со световым выходом антрацена, который используется как стандарт. Типичные световые выходы пластиковых сцинтилляторов 5060%.

Интенсивность световой вспышки пропорциональна энергии, потерянной частицей, поэтому сцинтилляционный детектор может использоваться в качестве спектрометра, т. е. прибора, определяющего энергию частицы.

С помощью сцинтилляционных счетчиков можно измерять энергетические спектры электронов и 7-лучей. Несколько хуже обстоит дело с измерением спектров тяжелых заряженных частиц (п-частицы и др.), создающих в сцинтилляторе большую удельную ионизацию. В этих случаях пропорциональность интенсивности вспышки потерянной энергии наблюдается не при всяких энергиях частиц и проявляется только при значениях энергии, больших некоторой величины. Нелинейная связь амплитуд импульсов с энергией частицы различна для различных фосфоров и для различных типов частиц.

Алюминиевый корпус

Магнитная защита из мю-металла

Фотоумножитель

Кристал сцинтиллятора .Оптическое окно г Жид кость для оптического контакта

Рис.1. Сцинтиллятор и ФЭУ.

Фотоны, возникшие в сцинтилляторе под действием заряженной частицы, по светопроводу достигают фотокатода ФЭУ, фотоэлектроны которого умножаются системой динодов и поступают на анод. Обычно коэффициент усиления ФЭУ (число электронов, достигших анода при выбивании из фотокатода одного электрона) составляет 105-106, но может достигать и 10°, что позволяет получить на выходе ФЭУ легко регистрируемый электрический импульс. Временное разрешение ФЭУ составляет Ю-8 -КГ9 с.

Энергетическое разрешение сцинтилляционных детекторов ДЕ/Е обычно не лучше нескольких процентов. Временное разрешение определяется главным образом длительностью световой вспышки (временем высвечивания люминофора) и меняется в пределах Ю"М0* с [1].

Большие объёмы сцинтилляторов позволяют создавать детекторы очень высокой эффективности, для регистрации частиц с малым сечением взаимодействия с веществом.

Рис.2. Устройство ФЭУ,

2. Детекторы ионизационного типа

К рабочей среде этих детекторов прикладывается электрическое поле. При ионизации среды заряженной частицей возникает кратковременный электрический ток, регистрируемый соответствующей электронной схемой. Сама детектирующая среда может быть газообразной, жидкой или твердой.

Наиболее обширную группу детекторов этого типа образуют газонаполненные детекторы. Простейшим из них является ионизационная камера. Она представляет собой систему из двух электродов в объеме, заполненном инертным газом (чаще всего аргоном и неоном). Если частица полностью останавливается в объёме камеры, то по величине собранного заряда (количеству электронов, пришедших на анод) легко определить энергию частицы.

Недостатком ионизационной камеры являются очень малые токи. Этот недостаток ионизационной камеры преодолевается в ионизационных детекторах с газовым усилением. Газовое усиление это увеличение количества свободных зарядов в объёме детектора за" счёт того, что первичные электроны на своём пути к аноду в больших электрических полях приобретают энергию достаточную для ударной ионизации нейтральных атомов рабочей среды детектора. Такой режим работы отвечает пропорциональному счётчику (камере). Пропорциональный счётчик способен выполнять функции спектрометра, как и ионизационная камера. Если ещё больше увеличить разность потенциалов между анодом и катодом и довести коэффициент газового усиления до 104-105, то начинает нарушаться пропорциональность между потерянной частицей в детекторе энергией и величиной импульса тока. Прибор переходит в режим ограниченной пропорциональности и уже не может быть использован как спектрометр, а лишь как счётчик частиц.

При дальнейшем увеличении напряжённости электрического поля (и газового усиления) счётчик переходит в такой режим работы, когда достаточно появления в его объёме одного электрона, чтобы он запустил столь мощный лавинообразный процесс, который способен ионизовать всю область вблизи нити-анода. При этом импульс тока достигает предельного значения (насыщается) и не зависит от первичной ионизации. Счётчик, работающий подобным образом, называется счётчиком Гейгера-Мюллера.

Газонаполненные детекторы имеют два недостатка. Во-первых, плотность газа низка и энергия, теряемая частицей в объёме детектора мала (низкая поглощательная способность), что не позволяет эффективно регистрировать высокоэнергичные и слабоионизующие частицы. Во-вторых, энергия, необходимая для рождения пары электрон-ион в газе велика (30-40 эВ), что увеличивает относительные флуктуации числа зарядов и ухудшает энергетическое разрешение. Кроме того, детекторы на основе газовых камер имеют длинные треки из ионизированных частиц, и большие геометрические размеры.

Ионизационные детекторы с жидким рабочим телом (наибольший практический интерес представляют детекторы с жидким аргоном и ксеноном) находят широкое применение. Создана жидкостная ионизационная камера с очень высоким пространственным разрешением (20 мкм). Лучшее энергетическое разрешение (34 кэВ) получено в ЬАг ионизационной камере для энергии квантов 976 кэВ, так что относительная величина энергетического разрешения составляет — 3,5%. Другая область применения жидких ионизационных детекторов - это калориметры для измерения поглощенной энергии релятивистских частиц [2, 3]. Такого рода калориметры имеют преимущества по сравнению с использовавшимися калориметрами со сцентилляционными детекторами: более простая калибровка, более высокая стабильность, возможность разделения чувствительных объемов без введения мертвого пространства. В качестве их недостатков следует указать сравнительно низкие быстродействие (-500 не) и низкие рабочие температуры. 2.1. Газонаполненные детекторы

Газонаполненные детекторы (счетчики) благодаря хорошей чувствительности к излучениям разных видов, относительной простоте и дешевизне являются широко распространенными приборами регистрации излучений. Такой детектор представляет собой наполненную газом оболочку, в объем которой введены два или три электрода.

В газонаполненных детекторах для регистрации частиц используется ионизация газа. Под действием приложенного напряжения, образовавшиеся в результате электроны (ионы) собираются на электродах.

На рисунке показаны зависимости количества регистрируемых электрон-ионных пар от приложенного напряжения для альфа- и бета-частиц. Кривая для альфа-частиц лежит выше кривой для бета-частиц, т.к. альфа-частицы создают большую начальную ионизацию, чем бета-частицы. Альфа-частицы образуют больше электрон-ионных пар, так как имеют намного большую массу, чем бета-частицы.

Каждую кривую можно разделить на характерные области. В области I происходят два конкурирующих процесса: собирание зарядов на электродах и рекомбинация ионов в газовом объеме. На участке II практически все заряды, образованные в детекторе, собираются на электродах. Этот участок кривой называют областью насыщения. Именно в этой области работают ионизационные камеры.

По мере дальнейшего повышения напряжения детектор начинает работать в пропорциональной области (III). Электроны, образованные в результате первичной ионизации, приобретают достаточную энергию, чтобы в свою очередь вызвать ионизация атомов или молекул газа. Происходит так называемое газовое усиление. Коэффициент газового усиления варьируется от 103 до 104. Область называется пропорциональной, т.к. коэффициент газового усиления пропорционален приложенному напряжению. Это область работы пропорциональных счетчиков (камер).

При дальнейшем повышении напряжения коэффициент газового усиления перестает линейно зависеть от напряжения. Это область ограниченной пропорциональности (IV).

Наконец, на участке V газовое усиление возрастает настолько, что собираемый заряд не зависит от первичной ионизации. Это так называемая область Гейгера - Мюллера. Однако разряд, как и в предыдущих областях, остается вынужденным, т. е. начинается после прохождения ионизирующей частицы. Это область работы счетчиков Гейгера-Мюллера.

Дальнейшее увеличение напряжения приводит к непрерывному разряду (область VI), поэтому эта область для регистрации частиц не используется.

В лучших пропорциональных счетчиках достигают величин энергетического разрешения порядка 3% при энергии заряженных частиц ~1 МэВ.

3. Полупроводниковые детекторы

Полупроводниковые детекторы имеют значимые преимущества перед рассмотренными выше детекторами: 1) более высокое (~2 порядка) энергетическое и временное разрешение; 2) на 2-3 порядка большая масса вещества, заключенная в чувствительном объеме, что особенно существенно при регистрации квантов и заряженных частиц высокой энергии. Наибольшее распространение получили полупроводниковые детекторы из кристаллов кремния (плотность 2.3 г/см3) и германия о

5.3 г/см ). В полупроводниковом детекторе определенным образом создается чувствительная область, в которой минимизирована концентрация свободных носителей заряда. Попав в эту область, заряженная частица вызывает ионизацию, соответственно в зоне проводимости появляются электроны, а в валентной зоне - дырки. Под действием напряжения, приложенного к напылённым на поверхность чувствительной зоны электродам, возникает движение электронов и дырок, и во внешней цепи формируется импульс тока. К полупроводниковому кристаллу прикладывается напряжение до нескольких кВ, что обеспечивает сбор всех зарядов, образованных частицей в объёме детектора.

Энергия, необходимая для рождения одной пары электрон-дырка в кремнии равна 3.62 эВ при температуре Т = 300 К и 3.72 эВ при Т = 80 К, а в германии она равна 2.95 эВ при Т = 80 К. Все это при использовании полупроводникового счётчика в спектрометрических задачах позволяет существенно улучшить энергетическое разрешение по сравнению с газонаполненными счётчиками, такими как ионизационная камера и пропорциональный счётчик.

Для регистрации заряженных частиц используют кремниевые детекторы и детекторы из сверхчистого германия (НРОе). Толщина чувствительной области кремниевых детекторов не превышает 5 мм, что соответствует пробегу протонов с энергией -30 МэВ и «-частиц с энергией -120 МэВ. Для германия толщина 5 мм соответствует пробегам протонов и а-частиц с энергиями —40 МэВ и -160 МэВ соответственно. Кремниевые детекторы часто используют при комнатной температуре. Германиевые детекторы всегда охлаждают до азотных температур.

Большие преимущества даёт применение полупроводниковых детекторов в спектрометрах 7-квантов. В этом случае применяются специально выращенные кристаллы о сверхчистого германия объёмом до нескольких сотен см . Германий имеет довольно высокий атомный номер Z = 32 и поэтому эффективное сечение взаимодействия 7-квантов велико (вероятность фотоэффекта пропорциональна 2?, Комптон-эффекта - 2, рождения пар - 7}~). Чтобы добиться наилучшего энергетического разрешения германиевые кристаллы во время эксперимента охлаждают до температуры жидкого азота

77° К). Энергетическое разрешение германиевых детекторов при регистрации 7-квантов достигает 0.1%, что в десятки раз выше, чем у сцинтилляционных детекторов. Максимально высокие значения для временного разрешения лучших полупроводниковых детекторов составляют 10"8-10"9с.

3.1. ИРве - детекторы (полупроводниковые детекторы из сверхчистого германия)

4].

Схематическая структура подобного детектора показана на рис.3. Подавая на р-п переход обратное смещение, добиваются расширения области, обедненной свободными равновесными носителями заряда (рабочего объема детектора), практически на всю толщину заготовки. регистрируемые у-кванты ^.тонкий спой золота

Рис.3. Структура НРОе-детектора.

Детекторы на основе сверхчистого германия характеризуются низким значением обратного тока и высоким энергетическим разрешением (-0.01%). В отличие от полупроводниковых детекторов из кремния германиевые детекторы в силу меньших значений запрещенной зоны, необходимо эксплуатировать при низкой температуре.

Одним из существенных преимуществ НРОе-детекторов перед аналогичными диффузионно-дрейфовыми Ое(1л) детекторами является возможность хранения их при комнатной температуре в период между измерениями, хотя при работе они также должны быть охлаждены до температуры жидкого азота - 77 К (подавать напряжение смещения на неохлажденный детектор нельзя). Ое(1л) детекторы обладают столь же высоким энергетическим разрешением, что и НРСе-детекторы однако должны постоянно находиться в криостате с жидким азотом - даже кратковременное повышение температуры Ое(Ы) детектора до комнатной, вызванное, например, несвоевременной заправкой криостата жидким азотом, выводит детектор из строя.

Трековые и координатные детекторы

Трековыми детекторами называют группу детекторов, в которых при прохождении заряженной частицы возникает визуально наблюдаемый след (трек) этой частицы. Трековые детекторы сыграли выдающуюся роль в силу наглядности и возможности получения исчерпывающей пространственной картины изучаемого процесса. Благодаря этим детекторам были открыты ядерные распады и реакции, частицы (позитрон, мюон, заряженные пионы, странные и очарованные частицы).

В трековых детекторах след частицы визуально наблюдаем. В то же время есть группа детекторов (.многопроволочная пропорциональная камера, дрейфовая камера. полупроводниковый микростриповый детектор и некоторые другие), в которых треки частиц ненаблюдаемы, но с высокой точностью фиксируются их пространственные координаты. Детекторы такого типа мы будем называть координатными.

Микростриповые детекторы, а также прецизионные многослойные пропорциональные камеры и дрейфовые камеры часто используют в качестве центральных (или вершинных) детекторов, непосредственно окружающих мишень (или место столкновения пучков в коллайдерах) [5]. Центральные детекторы играют важную роль в современных экспериментах на ускорителях высоких энергий. Они фиксируют с почти 100%-ной вероятностью продукты взаимодействия пучка с мишенью практически в точке их зарождения, и определяют направление их вылета. Более габаритные детекторы, окружающие центральный детектор, предназначены для идентификации этих родившихся и вторичных частиц и определения их характеристик (координат, импульсов, энергий и ДР-)

Типичные пространственные и временные характеристики трековых и координатных детекторов

Тип детектора Пространственное разрешение, мм Временное разрешение, сек Мертвое время, сек

Эмульсии 10"3 -

Камера Вильсона 0.3 0.1 0.01

Диффузионная камера 0.5 1

Пузырьковая камера 0.1 10"3 0.1

Искровая камера 0.1-0.3 10"6 10"8

Стримерная камера 0.2-0.3 210"6 0.1

Пропорциональная камера 0.05-0.3 10" 9-10"8 210"7

Дрейфовая камера 0.1-0.2 2'10"9 ю-7

Кремниевые микрострипы 0.01-0.02 10"8 10"8

4.1. Дрейфовая камера

Дрейфовая камера является координатным детектором. Это проволочный газонаполненный ионизационный детектор (как и пропорциональная камера), в котором координата частицы определяется по времени дрейфа электронов в газе от места ионизации (пролёта частицы) до сигнальных анодных проволочек. Расстояние между проволочками обычно несколько сантиметров. В отличие от пропорциональной камеры в дрейфовой камере создаётся однородное электрическое поле. Оно включается по стартовым сигналам внешних детекторов (чаще всего сцинтилляционных счётчиков), фиксирующих пролёт частицы через камеру. Далее появившиеся в объёме камеры свободные электроны дрейфуют в однородном и постоянном поле к ближайшим проволочкам. Напряжённость поля в дрейфовом промежутке »1 кВ/см. В непосредственной близости от анодных проволочек происходит образование лавин (газовое усиление достигает 106) и по времени задержки прихода лавин на анодные проволочки относительно стартового сигнала определяются координаты частицы. Пространственное разрешение дрейфовой камеры порядка 0.1-0.2 мм, временное -наносекунды.

Рис. 4. Дрейфовая камера

Дрейфовые камеры могут быть плоскими, цилиндрическими и сферическими, Плоские дрейфовые камеры больших размеров используются в экспериментах на ускорителях высоких энергий. Так в ЦЕРНе разработана дрейфовая камера размером 2x4x5 м3.

4.2. Микростриповые детекторы

Для очень точного определения координат частиц используют полупроводниковые микростриповые детекторы. Они представляют собой пластины монокристалла кремния, на одну из поверхностей которых наносятся тонкие электроды (стрипы), отстоящие друг от друга на расстоянии «20 мкм, а другая покрывается металлическим слоем. На электроды подается напряжение несколько вольт. Электронно-дырочные пары, образованные пролетающей заряженной частицей в кристалле, двигаются к ближайшим электродам и регистрируются в виде импульсов тока. Пространственное разрешение микростриповых детекторов уступает только ядерным эмульсиям и достигает 10 мкм. Временное разрешение - 10 я с [6, 7].

Al стрип

Sio

J30 мкм F^M f^JlF^ iip.F^I p + имплантирован В кремнии п-типа z о Q го п + имплантирован Р или As А! мкм

Рис. 5. Устройство кремниевого микрострипового детектора

В настоящей диссертационной работе рассмотрены твердотельные полупроводниковые детекторы ионизирующих излучений. В качестве возможных областей их использования могут быть:

• Медицинские применения: цифровые рентгеновские маммографы и томографы с дозовой нагрузкой на пациента, более чем в 100 раз меньшей по сравнению с существующими аналогами; приборы диагностики раковых опухолей глаза и других частей тела, и т.д.

Бурное развитие цифровой медицинской диагностической техники позволило повысить качество и пространственное разрешение (—40 пл/см в наилучших системах) изображений, сократить расходы времени и затраты на получение снимков. Например, в сотрудничестве с производителем медицинского оборудования Vatech, компания Samsung Electronics разработала плоскопанельный рентгеновский детектор (fíat panel X-ray detector, FPXD) для рентгеновских установок. В FPXD используется технология тонкопленочных транзисторов (TFT). Геометрические размеры матрицы, на которой формируется изображение, составляют 45 х 46 см (61 см по диагонали), разрешение — 3072 х 3072 пикселя (9,4 Мп). По словам представителя компании, который провел аналогию с ситуацией на рынке обычных фотокамер, производители рентгеновских установок смогут полностью перейти на цифровую технологию в течение нескольких лет [8].

Область применения детектора Samsung не ограничивается медициной. Например, FPXD может стать частью систем контроля качества строительства или систем безопасности в аэропортах.

Кроме того, цифровое изображение обладает рядом неоспоримых перед фотоплёнкой достоинств. Его можно хранить в цифровом виде в компьютере, передавать по электронным сетям с огромными скоростями, обрабатываться с помощью различных программ обработки данных (возможность изменения яркости и контрастности, обработка специальными фильтрами), визуализовать изображения на мониторе, делать его твердые копии на принтере.

Рис.6. Детекторная матрица (45x46 см), созданная специалистами Samsung Electronics,

Полномасштабный переход к цифровой рентгенографии сдерживается невероятно высокой ценой изготовления полноформатной твердотельной полупроводниковой фотодиодной матрицы (400x400 мм), способной формировать рентгеновские изображения. Стоимость такой матрицы до сих пор остается очень высокой, более 100 тыс. долларов за матрицу (первые коммерческие образцы появились в 2000 году и уже нашли широкое применение), что является серьезным ограничением для ее применения, особенно в России. К сожалению, в России отсутствуют возможности постановки подобной разработки из-за экономических сложностей. Уместно заметить, что, например, затраты General Electric на такой проект уже превысили 150 млн. долларов. Три европейские фирмы Siemens, Philips и Thaies создали совместную фирму Trixel специально для разработки и производства такой матрицы. Кроме того, принципиальным недостатком такой системы может быть ухудшение характеристик детекторов под действием рентгеновского излучения. В целом же, современный зарубежный цифровой комплекс для общей диагностики стоит 500 и более тысяч долларов (выпускают Hitachi (Япония), Aloka (Япония), General Electric (США), Siemens (Германия) и др).

• Промышленные применения: дефектоскопы; системы неразрушающего контроля различных промышленных объектов, включая конструкции стратегических объектов — например, ядерные реакторы, трубы газопроводов; антитеррористический контроль, и т.д.

Например, датчики сероводорода General Monitors являются одними из самых передовых в мире [9]. Они первыми предложили твердотельные сенсоры, которые позволяют проводить одноточечное калибрование, что значительно снижает время и стоимость их обслуживания. На металлоксидные полупроводниковые (МОП) сенсоры с длительным сроком службы можно положиться в обеспечении скорости срабатывания, высокой чувствительности, воспроизводимости результатов, крепости конструкции и надежности работы в широком диапазоне температур и влажности. Эти сенсоры первыми были признаны соответствующими требованиям стандарта ISA-S12.15, и идеально подходят для. применения на бурильных нефтегазодобывающих установках, на предприятиях нефтепереработки и производства.нефтепродуктов, а также для целого ряда других промышленных применений, где присутствует сероводород.

• Экологический и технологический мониторинг и контроль: радиационно-стойкие координатные детекторы заряженных, частиц для современной физике высоких энергий; системы экологического мониторинга окружающей среды (определения в почве и на ее поверхности удельной активности нуклидов, обусловленных ядерным производством в местах снятия с эксплуатации объектов ядерной промышленности) и территорий атомных объектов, и т.д.

Так, например, в 2004 году были проведены радиационно-экологические исследования на промплощадках семи скважин подземных ядерных взрывов (ПЯВ) на Средне-Ботуобинском нефтегазовом месторождении вблизи поселка Таас-Юрях Мирнинского улуса Республики Саха (Якутия). До исследований было известно только то, что на промплощадке скважины №47 имели местом разливы радиоактивного бурового раствора. По остальным боевым скважинам не было никакой информации о радиационных загрязнениях. В ходе полевых работ проводились измерения мощности' экспозиционной дозы (МЭД) дозиметром типа ДБГ-01Н (продукция ФГУП "СНИИП" госкорпорации по атомной энергетике "Росатом", Россия). Для поиска участков с повышенными уровнями МЭД и их оконтуривания использовался сцинтилляционный (NaJ) дозиметр фирмы «Aloka» (Япония). Для оценки вклада в МЭД, обусловленного искусственными радионуклидами, был использован портативный сцинтилляционный спектрометр-дозиметр поверхностного загрязнения SS-y фирмы "Hamamatzu" (Япония). Для лабораторных анализов отобраны образцы проб почв, мхов, лишайников, древесных пород, нефти и шлака. Образцы проб анализировались гамма-спектрометрическим методом в лаборатории радиационной экологии университета в г. Якутске на лабораторном гамма-спектрометре фирмы Канберра — Паккард (США), с полупроводниковым детектором из особо чистого германия (ОЧГ) с тонким бериллиевым окном. Спектрометр имеет следующие характеристики: диапазон регистрируемых энергий от 3 кэВ до 3 МэВ; энергетическое разрешение 1,5 кэВ по линии 122 кэВ (относительная величина ~ 1,5%) от радионуклида Со-57 и 2,2 кэВ по линии 1332 КэВ от радионуклида Со-60. Для калибровки спектрометра использовались образцовые меры активности, произведенные и аттестованные в НПО "ВНИИМ им. Д.И. Менделеева". Установлено наличие двух участков локального радиоактивного загрязнения цезием-137 вблизи скважин №47 (ПЯВ «Шексна») и №68 (ПЯВ «Нева-2») с плотностью до 33 кБк/м2 и 597 кБк/м соответственно. Установлено, что радиоактивные загрязнения являются следствием технологических операций после проведения ПЯВ на нефтегазовых месторождениях, в результате которых радиоактивные продукты деления были выброшены на дневную поверхность по выкидной линии, при этом интенсивность радиоактивного загрязнения зависела от давления в скважине и бдительности оператора [10,11].

Для проведения экологического и технологического мониторинга известны также гамма-спектрометра фирмы «CANBERRA» (США) с полупроводниковыми детекторами из сверхчистого германия. В частности, один из видов спектрометра реализован на низкоэнергетическом детекторе «GL2020R» с кристаллом 50.5x20мм. Полуширина пика на полувысоте 338 эВ при 5,9 кэВ, 648 эВ при 122 кэВ (от. вел. энергетического разрешения ~ 0,5%), а другая часть - на коаксиальном детекторе «GR3020», размер кристалла 56,5X50 мм. Полуширина пика на полувысоте 0,96 кэВ при 122 кэВ, 1,9 кэВ при 1,2 МэВ. Статистическая ошибка прибора не превышает 8-10% [12].

В настоящее время в качестве основного материала для твердотельных детекторов частиц высоких энергий и у-квантов используют высокоомный кремний. Датчики на основе высокоомного кремния позволяют существенно повысить пространственное разрешение детектора, что позволяет активно использовать такие детекторы для задач связанных с позиционированием пучка заряженных высокоэнергетических частиц, для целей медицинской диагностики и для дефектоскопии [13].

Однако, кремниевым детекторам свойственен и ряд существенных недостатков. Так, в твердотельных детекторах на основе высокоомного кремния, области преобразования энергии кванта (частицы) в неравновесные электронно-дырочные пары и последующего считывания носителей в виде тока во внешнюю цепь пространственно совмещены. В силу этого, в такой конструкции, считывание заряда во внешнюю цепь приводит к потери информационного сигнала, а регистрируемые пороговые величины ионизирующих излучений, энергетическое разрешение и энергетические шумы определяются не только фоновыми («темновыми») токами, но и тепловыми и генерационно-рекомбинационными шумами, значительными при считывании токов в высокоомных материалах. К недостаткам кремниевых твердотельных детекторов относится их низкая стойкость к дозовым радиационным нагрузкам.

Последний из недостатков можно преодолеть посредством использования таких альтернативных твердотельных материалов как, например, арсенида галлия, искусственных алмазов [14, 15] и РЬБеЕи. Уровень развития технологии роста алмазных пленок и приборных технологий на алмазных материалах на сегодняшний день значительно уступает развитию кремниевых технологий; кроме того, по преобразовательным характеристикам (у-кванты/электронно-дырочные пары) алмаз по физической природе существенно уступает кремнию и тем более арсениду галлия. Твердые растворы на основе РЬБеЕи крайне привлекательны благодаря значительной величине коэффициента поглощения у-квантов. Однако, в силу узкозонности материала (и как следствие - необходимость охлаждения датчиков) и сложных технологических проблем реализации в них качественных р-п переходов (значительные токи утечки и малые пробойные поля при обратном смещении) трудно ожидать, что в ближайшие годы эти материалы составят значимую конкуренцию в этом качестве. Таким образом, учет физических характеристик материалов и достигнутый уровень развития на них ростовой и маршрутной технологий, позволяют заключить, что наиболее значимую конкуренцию кремнию в области детектирования ионизирующих излучений (особенно в области больших энергий и потоков) может составить арсенид галлия и твердые растворы на его основе. В настоящее время множество лабораторий мира продолжают участвовать в разработках арсенид галлиевых детекторов резистивного и барьерного типов для указанных применений [16, 17, 18].

Между тем, актуальной остается задача создания детектирующих систем, способных регистрировать слабые потоки ионизирующего излучения. Целью настоящей работы является разработка, изготовление и исследование детектора с высокой пороговой чувствительностью и низким уровнем шума, позволяющего регистрировать малые потоки ионизирующих излучений. Это особенно важно при проектировании и изготовлении базовых модулей детектирующих систем в медицине, в развитии которых наблюдается устойчивая тенденция "к снижению дозовых нагрузок на пациента. Достичь указанной цели предполагается посредством предложенной и запатентованной в нашей работе конструкции, позволяющей накапливать заряд и неразрушающим образом считывать его в процессе накопления в желаемый момент времени. Основное конструктивное отличие такого детектора - пространственное разделение области накопления заряда и цепи считывания информации о накопленном заряде. Предложенный подход позволяет существенно повысить пороговую чувствительность, так как устраняет при считывании доминирующие вклады в шумы от тепловой и дробовой компонент шума, свойственные резистивным детекторам, реализуя считывание информации о заряде по существенно менее шумящему каналу (по каналу полевого транзистора сформированного в эпитаксиальном проводящем слое), либо посредством считывания соответствующего заряду потенциала. Предлагаемая конструкция позволяет детектировать плоские изображения в потоках частиц либо ионизирующих излучений. Потенциальный вариант считывания информационного заряда в таких конструкциях особенно эффективен при реализации детекторов пиксельной организации.

Положения, выносимые на защиту

1. Модель полуизолирующего ваАз, предложенная по результатам теоретических исследований, позволяющая определить условия необходимые для формирования полуизолирующего материала. Отличительной особенностью предложенной модели является установление зависимости концентрации свободных носителей заряда (удельного сопротивления материала) от концентрации ГЭЦ при комнатной температуре и заданных параметрах материала: результирующая концентрация

Г о мелкой примеси ^-N0=10 см" , глубина залегания ГЭЦ (относительно дна зоны проводимости Ес ) Ес-Еоо~Е§/2

2. Два вида конструкций детекторных ячеек с разделенными областями накопления и считывания заряда и физико-математическая модель процессов, протекающих в указанных детекторах, позволяющая количественно оценить величину информационного заряда на ловушках в произвольный момент времени.

3. Разработанный пакет программ для моделирования и расчета рабочих характеристик детектора, позволяющих рассчитать регистрируемый сигнал (ток, потенциал) в зависимости от параметров ГЭЦ, концентрации компенсирующей примеси и температуры путем численного расчета системы дифференциальных уравнений, заложенных в физико-математическую модель.

4. Технологический маршрут изготовления детекторов с разделенными областями накопления и считывания заряда и его особенности.

1-3. Научная новизна работы.

1. Предложена модель возникновения физических механизмов и условий, приводящих к образованию полуизолирующего арсенида галлия. Численным решением уравнения электронейтральности установлена математическая зависимость для данного материала концентрации свободных носителей заряда от концентрации ГЭЦ (глубоких энергетических центров) при заданной величине энергии залегания глубокого центра и суммарной концентрации мелкой примеси. Исходя из полученных зависимостей, определены оптимальные соотношения между легирующими компонентами материала, приводящие к реализации проводимости материала близкой к собственной. > 2. Предложены принципы реализации низкопороговых детекторов и запатентованы конструкции детектора с разделенными областями накопления и считывания заряда. Детектор, изготовленный в рамках предложенной конструкции, позволяет преобразовывать энергию частиц либо квантов ионизирующего излучения в неравновесные электронно-дырочные пары, накапливать и хранить заряд на ГЭЦ и неразрушающим образом считывать во внешнюю цепь информацию о накопленном заряде в любой выбранный нами момент времени.

3. Предложена физико-математическая модель процессов, протекающих в детекторах с разделенными областями накопления и считывания заряда, позволяющая в отличие от существующих моделей, количественно оценить величину заряда на ловушках в произвольный момент времени как функцию потоков ионизирующих частиц, энергии ловушек, их концентрации и температуры.

1-4. Практическая ценность.

Представлен новый класс активных детекторных устройств интегрального типа -детекторы с разделенными областями накопления и неразрушающего считывания информации, эффективных в качестве дозиметров слабых потоков ионизирующего излучения с низким порогом регистрации излучения и низким уровнем шума.

Выводы к параграфу 11-1.

Численный анализ физико-математической модели полуизолирующего арсенида галлия, сформулированной в виде системы кинетических уравнений и уравнения баланса заряда, в условиях возможных переходов носителей в многуровневой энергетической системе, позволил уточнить оптимальные соотношения между легирующими компонентами материала. Результаты вычислений указывают на необходимость, как наличия глубоких уровней, так и компенсации посредством использования донорной и акцепторной мелкой примеси. Доказана важность нахождения ГЭЦ в середине запрещенной зоны (как в случае ЕЬ2 дефектов в ваАэ), что позволяет избежать необходимости включения чрезмерно большого количества глубоких энергетических центров в материал.

П-2. Два вида конструкции детекторов (детекторных ячеек) с разделенными областями накопления и считывания заряда, принципы их работы.

Конструкция предлагаемого детектора с накоплением заряда позволяет преобразовывать энергию частиц либо квантов ионизирующего излучения в неравновесные электронно-дырочные пары, накапливать и хранить заряд и неразрушающим образом считывать информацию о накопленном заряде (в том числе и текущую - в процессе накопления) во внешнюю цепь.

Возможность сохранения и накопления информационного заряда и неразрушающего считывания информации о нем обеспечивается тем, что область, в которой осуществляются преобразование энергии ионизирующего излучения в неравновесные электрон - дырочные пары, последующее удаления дырок и накопление неравновесного заряда электронов на ловушках полуизолирующего слоя, отделена посредством монокристаллического изолирующего слоя твердого раствора арсенида галлия - арсенида алюминия от области считывания информации о заряде. Считывать, возможно, его как в виде тока, протекающего в канале упомянутого выше полевого транзистора, так и в виде напряжения с «плавающего» электрода затвора.

Предложенная конструкция прибора с токовым режимом считывания [38] позволяет существенно повысить пороговую чувствительность, так как устраняет при считывании вклады тепловой и дробовой компонент шума, свойственные резистивным детекторам на основе высокоомного компенсированного материала, реализуя считывание информации о заряде по существенно менее шумящему каналу в эпитаксиальном слое.

В представленной на рис. 10 конструкции заявляемый детектор содержит: арсенидгаллиевую подложку 1 с контактом к ней (слой преобразования и хранения заряда), полуизолирующий ОаАз слой 2, имеющий общую границу с подложкой, изолирующий монокристаллический ОаА1Аз слой, изолирующий монокристаллический слой 3 из ОаА1Аз, имеющий общую границу с полуизолирующим слоем 2, легированный слой 4 СаАв п-типа проводимости, имеющий общую границу с изолирующим слоем 3, высоколегированный п+-слой 5, имеющий общую границу с легированным слоем 4, и расположенные на нем два омических (6 и 7) и один барьерный 8 контакты, образующие полевой транзистор, барьерный контакт 9 в виде замкнутого кольца. Слои 3, 4, 5 расположены на мезе, сформированной посредством химического травления.

Слой 1 указанной конструкции, функционально, является приемо-преобразующим слоем — т.е. областью в которой и происходят процессы преобразования энергии квантов излучения либо высокоэнергетических частиц в электронно-дырочные пары. б С 8 П

5-1018 см"3, 0,15 мкм

3-Ю16 см"3. 0,8 мкм

АиСг

0,2 мкм 0,4 мкм а

1

1

11 а-Ста А*

Alo.25CTao.75As Ш

1 - ОаА* подложка ПИ Ста Аз (100)

Рис.10. Твердотельный детектор ионизирующих излучений с разделенными областями накопления и считывания заряда (в транзисторном варианте).

Изолирующий монокристаллический ваА1Аз слой 3 [39,40], предназначен для осуществления гальванической развязки слоя 2 с эпитаксиальными ваАэ слоями 4 (нелегированный ваАэ слой) и 5 (ОаАэ слой п+-типа проводимости); легированный СаАэ слой 4 с сформированными омическими (6 и 7) и барьерным (8) контактами, образует полевой ОаАэ транзистор, функционально выполняющий роль считывателя информации. Барьерный контакт 9 в виде замкнутого кольца по переферии транзистора, предназначен для уничтожения (стирания) информативного заряда, а также для эвакуации неравновесных дырок в процессе регистрации и накопления заряда электронов. Меза-структура, выполненная на слоях 3, 4 и 5, посредством химического травления, выполняет роль планарной изоляции области считывания кристалла сенсора (площадь, включающая транзистор) от пассивной части кристалла.

Работа детектора осуществляется следующим образом. Высокоэнергетические частицы, либо гамма кванты, взаимодействуют с ионами решетки объема слоя 1 по одному из известных механизмов, преобразуя энергию ионизирующего излучения в неравновесные электроны и дырки [41], с последующей локализацией, например, неравновесных электронов на ловушках слоя 1. При этом, на переход АиСг/подложка подается напряжение обратного смещения (минус на АиСг контакт относительно слоя 1), так что неравновесные дырки эвакуируются из слоя 1. Локализованный на ловушках слоя 1 избыточный заряд электронов, величина которого пропорциональна потоку ионизирующего излучения, создает ОПЗ в слое 4 канала полевого транзистора, уменьшая протекающий по каналу транзистора ток. При этом, в силу гальванической развязки слоев 4 и 5 и приемного слоя 1, исключается возможность спонтанной подзарядки ловушек пограничной области за счет тока «горячих» носителей канала транзистора, что позволяет считывать информацию о локализованном заряде (а значит о потоке ионизирующего излучения) не искажая информационный заряд. Разрядка слоя (ловушек слоя 1) осуществляется подачей на АиСг электрод импульса (нестационарного) обратного смещения (минус) АиСг/подложка перехода, превышающего пороговое значение.

Толщина приемного слоя 1 зависит от вида и энергии регистрируемого излучения. Так, при детектировании а-частиц толщина его определяется радиационной длинной и для энергий ~5 МэВ составит ~ 20 мкм. При детектировании квантов рентгеновского диапазона (1.10 кэВ) толщина полуизолирующего ваАэ слоя, определяется сечением процесса взаимодействия квант - слой 1, что для детекторов на ОаАэ материалах составит уже ~ 100.300 мкм, соответственно.

Функциональное назначение нелегированного слоя 2 — технологический буферный слой; он предназначен для снятия упругих напряжений границы раздела

ОаА1 Аз/подложка и его толщина может варьироваться в пределах 0,3.0,5 мкм. Мольная доля арсенида алюминия в твердом растворе этого слоя находится в диапазоне 0,15. 0,35 [39,40].

Разделительный слой 3 из Оа1.х А1х Аэ имеет электрическую прочность ~ 106 В/см, так что с учетом величины ожидаемого потенциала от локализованных ловушек, его толщина может, находится в пределах 0,15.0,30 мкм.

Толщина легированного ОаАз слоя 4 варьируется совместно с изменениями

17 Т I Т концентрации легирующей примеси в диапазонах 0,2.0,6 мкм и 2.10 см" .2.10 см" , соответственно.

Размер локальной области, связанный с диффузным размывом изображения, в силу малости времени захвата (~10"пс) и незначительности градиента концентрации неравновесных носителей ( для энергий детектируемых а- частиц ~ 5 МэВ, он не превышает величины 106 шт/мкм) не превышает 1 .2 мкм, что делает детектор актуальным для регистрации плоских изображений в потоках ионизирующих излучений. С учетом пространственного разнесения элемента считывания и области хранения заряда, разрешение изображения в плоскости пластины будет зависеть от толщины приемного слоя 1, а значит, будет варьироваться в зависимости от типа регистрируемого излучения и его энергетических характеристик.

Для детектирования плоских изображений в потоках частиц либо ионизирующих излучений с высоким пространственным разрешением предлагается барьерная (диодная) модификация конструкции детекторов с накоплением заряда. Локальное считывание информации об информационном заряде в конструкции рис.11 осуществляется посредством регистрации потенциала на электроде затвора, находящимся под «плавающим» потенциалом. 5 з

3-101бсмЛ 0,8 мкм

16 а-Сто А ъ'

1 - А10>25ва0>75А8

0,4 мкм

- СтаАь* 2 подложка ПИ СтаАз (100) 1

Рис.11. Твердотельный детектор ионизирующих излучений с разделенными областями накопления и считывания заряда (в диодном варианте).

Конструкция детектора барьерного типа [42] содержит: ОаАв подложку 1 с омическим контактом к ней, имеющий с ней общую границу арсенидгаллиевый полуизолирующий слой 2, изолирующий слой 3 из ОаА1Аз, имеющий общую границу с ОаАв полуизолирующим слоем 2, нелегированный ОаАз слой 4, имеющий общую границу с изолирующим ОаА1Аз слоем 3, барьерный контакт 5, расположенный на слое 4 и дополнительный барьерный контакт 6 в виде замкнутого кольца.

Работа детектора барьерного типа осуществляется следующим образом. Высокоэнергетические частицы, либо гамма кванты, взаимодействуют с ионами решетки объема слоя 1 по одному из известных механизмов, преобразуя энергию ионизирующего излучения в неравновесные электроны и дырки [41]. Из-за постоянного обратного смещения АиСг/подложка перехода (минус на АиСг электроде относительно слоя 1) дырки эвакуируются из слоя 1, а неравновесные электроны захватываются и локализуются на имеющихся в избытке ловушках указанного полуизолирующего слоя 1. Локализованный на ловушках подложки избыточный заряд, величина которого пропорциональна потоку ионизирующего излучения, заряжает конденсаторную ячейку электрод 5/подложка, создавая на электроде затвора 5 пропорциональный заряду потенциал. Разрядка упомянутого конденсатора (уничтожение электронов, локализованных на ловушках слоя 1) осуществляется подачей на АиСг электрод 6 импульса (нестационарного) обратного смещения (минус), превышающего пороговое значение. Такая конструкция, в силу малых размеров ячейки, эффективна для случая матричной организации детектора.

П-З. Физико-математическая модель процессов накопления и считывания информации в детекторах с разделенными областями накопления и считывания заряда, расчет регистрирующих способностей детекторов.

Опишем, математически, изложенный в параграфе Н-2 процесс детектирования.

Постановка задачи.

В табл.1 даны определения основных величин, применяемых при анализе проблемы, и приводится их условные обозначения.

Заключение

1. Определены условия, реализации которых, позволяет наблюдать величины проводимости материалов близкие по своим значениям к собственным в компенсированном глубокими энергетическими центрами полуизолирующем арсениде галлия при комнатной температуре. Результаты вычислений указывают на необходимость наличия глубоких уровней, концентрация которых больше, но по порядку величины сравнима с разностной концентрацией мелкой примеси. Доказана важность нахождения ГЭЦ в середине запрещенной зоны (как в случае ЕЬ2 дефектов в ОаАэ), что позволяет избежать необходимости включения чрезмерно большого количества глубоких энергетических центров в материал, понижающих подвижность свободных носителей заряда.

2. Получены два патента РФ на предложенные конструкции арсенидгаллиевых детекторов с разделенными областями накопления и считывания заряда в диодном и транзиторном вариантах считывания информации.

3. В рамках разработанной физико-математической модели проведено моделирование и расчет рабочих характеристик детектора с разделенными областями накопления и считывания заряда при детектировании квантов оптического диапозона частот (т|(о~Её=1.43 эВ). Выполнено это в программном модуле ЗшшНпк и в программах, разработанных автором в математическом пакете МаЙаЬ. В режиме накопления заряда на ловушках приемного слоя детектора установлена зависимость тока транзистора от времени накопления заряда Ьэ^оэОО и от параметров ловушек. Так при указанных выше параметрах ловушек и разностной концентрации мелкой примеси, при уровне интенсивности освещения I— 1011 см"2-с"' (для светодиода типичные интенсивности-1020 см"2сек"') ток изменяет свое значение от 1оя0:=0)=72 мА до

Ьб^Ю сек)=40 мА. При уровне освещения 1010 см"2-с-1 времена накопления составят меньше двух минут. Аналогично, для а-частиц с первоначальной энергией Ео=5 МэВ в режиме накопления заряда также рассчитана зависимость тока канала ПТ 1об=1об0) при тех же параметрах приборной структуры: так при

6 2 1 уровне интенсивности «освещения» I—10 см" сек" ток за 2 секунды изменяет свое значение от 1оз0-=0)=72 мА до 1об^=4 сек)=23 мА. При интенсивности излучения 104 а-частиц/см"2сек"' время накопления заряда до «насыщения» ГЭЦ составят ~3 минут.

4. Разработан и представлен технологический маршрут изготовления детекторов с разделенными областями накопления и считывания заряда; изготовлены лабораторные образцы детекторных структур с разделенными областями накопления и считывания заряда в различных модификациях (дискретного и линейчатого типа) в НОЦ МИЭТ/ФИАН "Квантовые приборы и нанотехнологии".

5. Проведены экспериментальные исследования в области накопления и хранения заряда в детекторах с разделенными областями накопления и считывания заряда. В частности, проведены измерения кинетических коэффициентов, исследованы механизмы транспорта заряда, а также проведены измерения энергетического спектра ловушек в области накопления и хранения заряда.

1. G.1. Britvich et al., A Study on the Characteristics of Some Materials for Electromagnetic Calorimeters, NIMA 308 (1991) 509.

2. T.S. Virdee, Calorimeters Using Room Temperature and Noble Liquids, NIM A, 323 (1992) 22.

3. K. dtter, L. Milhailescu, Madden, R. Pehl Employing thin HPGe detectors for gamma-ray imaging", this article was submitted to Workshop on Unattended Radiation Sensor Systems for Remote Applications, Washington, D. C., April 15-1 7, 2002

4. H. Hoedlmoser, M. Moll, J. Haerkoenen, M. Kronberger, J. Trummer, P.Rodeghiero Characterization of 150 цш thick epitaxial silicon detectors from different producers after proton irradiation, Nucl. Instr. & Meth. in Phys. Res. A 580, 1243-1249 (2007).

5. A. Castoldi, A. Galimberti, E. Gatti, C. Guazzoni, P. Rehak X-ray 2-D Position-Sensing with Multi-Linear Silicon Drift Detectors, IEEE Trans. Sci., 53(2) pp. 601-606, April 2006.

6. Я Я Степанов, О.Э. Кузнецова "Содержание долгоживущих радионуклидов в лишайниках кустистых форм в центральной Якутии", Научная сессия МИФИ-2001.

7. V.Chmill X-ray Irradiation of Silicon Detectors, Submitted to Nucl. Instr. and Meth., 2006.

8. C.M. Buttar, P.J. Sellin et. al CVD Diamond Detectors as Dosimeters for Radiotherapy, Position Sensitive Detectors, Manchester, UK, conference proceedings, Nuclear Instruments and Methods A392 (1997) 281-284.

9. C.M. Buttar et al. CVD Diamond Radiotherapy Dosimeters, Presented at Diamond '99, Prague, 1999. Submitted to Diamond and Related Materials.

10. C.M. Buttar GaAs Detectors A Review: Gallium Arsenide and Related Compounds, Aberfoyle, Scotland, workshop proceedings, Nuclear Instruments and Methods A395 (1997) 1-8

11. V.B.Chmill et al. Particle detector based on GaAs. Radiation hardness and spatial resolution Nucl. Instr. and Meth., A 409:pp.247-250, 1998.

12. V.Chmill Radiation Test of Semiconductor Detectors, Stockholm, 2006.

13. Makram-Ebeid S., Ninondo P. The roles of the surface and bulk of the semi-insulating substrate in low-frequence anjmalies of GaAs integrated circuits.// IEEE Trans., 1985, v.ED-32,n.3, p.632-642.

14. Гергелъ B.A., Ильичев Э.А., Лукъянченко A.M., Полторацкий Э.А. и др. Паразитное управление по подложке в полевых транзисторах на арсениде галлия.// ФТП, 1992, т.26, в.5, с.794-800.

15. Беспалов В.А., Горбацевич А.А., Егоркин В.И., Ильичев Э.А., и др. Электрофизические свойства GaAs слоев и особенности характеристик детекторов частиц высоких энергий на их основе. // ЖТФ, 2004,т.74, в.З, с.28-73.

16. Мильвидский М.Г. II Структурные дефекты в монокристаллах полупроводников. М.: Металлургия, 1984, 256 с.

17. Кацоев В.В., Кацоев Л.В., Ильичев Э.А "К вопросу о роли глубоких энергетических центров в компесации примесей в полуизолирующем арсениде галлия"// Микроэлектроника, 2008, т. 37, №5, с.337-343.

18. Ильичев Э.А., Полторацкий Э.А., РычковГ.С., Хайновский В.И Проблемы высокотемпературного предела работы арсенидгаллиевых интегральных схем. // Микроэлектроника, 1996, т.25 п. 5, с.363-369.

19. Ильичев Э.А. Неразрушающий метод диагностики глубоких уровней в полуизолирующих материалах.//ЖТФ, 1998, т.68, н.5, с.141-143.

20. Ильичев Э.А., Краснов В. Ф., Мушер С.Л., Полторацкий Э.А., Проць В.И., Рубенчик Л.М., Струц С.Г., Ступак М.Ф. II Электронная промышленность, 1990, н.10, с.46-49.

21. A.T.Gorelenok, V.F.Andrievskii, A.V.Kamanin, S.I.Kokhonovskii, M.M. Mezdrogina, N.M.Shmidtd, V.I. Vasil'ev. Peculiarities of defect and impurity behaviour in gallium arsenide during surface gettering.// Phys.Condens. Matter. 14, 13 105 (2002).

22. Hall R.N., Proc. IEEE, 106B, 923 (1959). Recombination Processes in Semiconductors.

23. Shockley W„ Read W.T., Jr., Phys. Rev., 87, 835 (1952). Statistics of th Recombinations of Holes and Electrons.31 .Hall R.N., Journ. Phys. Chem. Solids, 3. 63 (1957). Variation of the Distribution Coefficient and Solid Solubility with Temperature.

24. Wertheim G.K., Phys. Rev., 109, 1086 (1958). Transient Recombination of Excess Carriers in Semiconductors.

25. Shockley W., Proc. IRE, 46, 973 (1958). Electrons, Holes and Traps.

26. Bemski G., Proc. IRE, 46, 990 (1958). Recombination in Semiconductors.

27. Sah C.T., Proc. IEEE, 55, 654 (1967). The Equivalent Circuit Model in Solid State Electronics Part 1: The Single Energy Level Defects Centers.

28. Sah C.T., Proc. IEEE, 55, 672 (1967). The Equivalent Circuit Model in Solid State Electronics Part 2: The Multiple Energy Level Impurity Centers.

29. C.M. Рывкин, Фотоэлектрические явления в полупроводниках, Физматгиз, М., 1963.

30. Горбацевич А.А., Егоркин В.И., Ильичев Э.А., Кацоев В.В., Кацоев Л.В., Полторацкий Э.А., Ревенко В.Г., Шмелев С.С. Твердотельный детектор ионизирующих излучений. Патент РФ №2307425, приоритет от 24.04.2006, выдано 27.02.2007.

31. Ильичев Э.А., Маслобоев Ю.П„ Полторацкий Э.А., Родионов А.В., Слепнев Ю.В.И Авт. Свид. № 1119523, приоритет от 28.03.83г., выдано 13.06.84г.

32. Афанасьев А.А., Ильичев Э.А., Полторацкий Э.А., Слепнев Ю.В., Родионов А.В. II ФТП, 1985, т.20, в.9, С.1565-1571.

33. В.Б. Берестецкий, Е.М. Лившиц, ЛИ. Питаевский. II Релятивистская квантовая теория, ч.1. Изд. «Наука», Москва, 1968.

34. Горбацевич А.А., Егоркин В.И, Ильичев Э.А., Кацоев В,В., Кацоев Л.В., Полторацкий Э.А., Ревенко В.Г., Шмелев С.С. Арсенидгаллиевый детектор ионизирующих излучений. Патент РФ №2307426, приоритет от 24.04.2006, выдано 27.02.2007.

35. Milnes A.G., Deep Impurities in Semiconductors, A Wiley-Interscience Publication, J. Wiley&Sons, 1973.

36. Арсенид галлия. Получения, свойства и применение. Под ред. Ф.П. Кесаманлы и Д.Н. Наследова, М., "Наука", 1973.

37. R.Hunt, L.Lipsman, M.Rosenberg "Matlab: официальный учебный курс Кембриджского университета", М., "Издательство ТРИУМФ", 2008

38. С. Зи "Физика полупроводниковых приборов", М., "Мир", 1984

39. Moss T.S., J. Appl. Phys. 32 (Suppl.), 2136 (1961).

40. Phillips J.C., Phys. Rev. Lett. 10, 329 (1963).

41. L.F.Tastman. Semi-insulating GaAs substrates for integrated circuit devices: promises and problems. // J. Vac. Sci. Technol., 1979, v.l6,n.6,p.2050.

42. R.C. Eden, B.M. Welsh. GaAs digital integrated circuits for ultra high speed LSI/VLSI. Large scale integration ( VLSI) // Fundamentals and applications. Barbe (ed ), Springer -Verlag, Berlin, 1980, p.128-177.

43. P.F.Linquisl, W.M.Ford. Semi-insulated GaAs substrates. Very large scale integration (VLSI) // Fundamentals and applications. Barbe (ed ), Springer Verlag, Berlin, 1980, p.1-60.

44. D.C.DAvanzo. Protonisolation for GaAs integrated circuits. // IEEE Trans.Electron. Dev., 1983, v.ED-29(7), p.1051-1059.

45. S.Makram-Ebeid, P.Ninondo. The roles of the surface and bulk of the semi-insulating substrate in low-frequency anomalies of GaAs integrated circuits.// IEEE Trans., 1985, v.ED-32, n.3, p.632 -642

46. S.Sriram, M.B. Das. II An experimental study of backgating effect in GaAs MESFETs.// Solid States Electronics, 1985,v.28,n. 10,p.979 - 989.

47. Гергель B.A., Ильичев Э.А., Лукъянченко A.M., Полторацкий Э.А., и др. Паразитное управление по подложке в полевых транзисторах на арсениде галлия.//ФТП, 1992, т.26,в.5,с.794 800.

48. D.V.Lang. II J. Apl. Phys., v.45, n.7, p.3014 (1974).

49. А.Г. Ждан, В.Б. Сандомирский, А.Д. Ожередов. К определению параметров ловушек по кривым термостимулированного разряда конденсатора. // ФТП, т.З, в. 12, с. 1755. 1756 (1969).

50. Т. Itoh, M.Yanai. Stability of performance and interfacial problems in GaAs MESFETs. // IEEE Trans, on Electr. Dev., 1980, v. ED-27, n.6, p.1037-1045.

51. H.Ch.Alt, H.Schink, G.Pacheicer. Relation between microscope EL2 fluctuations and nonuniform properties of GaAs substrates and devices. // 5th Cjnf. On semi-insulating 111-Y materials. Malmo, Sweden, 1988, chapter 1, p.515-520.

52. W.Kohn. Sol.State Phys., v/5, p.257 (1957).

53. Ж. Панков. Оптические процессы в полупроводниках. Изд. «Мир», гл.З (1973).

54. Ильичев Э.А., Лукьянченко А.И. Способ измерения параметров полупроводниковых материалов. Патент N 2079853, приоритет от 17.09.93 г., опубликован 20.05.97 г.

55. Ильичев Э.А. Неразрушающий метод диагностики глубоких уровней в полуизолирующих материалах. ЖТФ, 1998, т.68, п.5, с.141-143.

56. Ильичев Э.А., Онищенко В.А., Полторацкий Э.А., Рычков Г.С., Хайновский В.И Структура на основе арсенида галлия для новых поколений ИС.// Российская конференция «Микроэлектроника-94». Тезисы докладов, часть 2, с.387-388.

57. Ильичев Э.А., Полторацкий Э.А., Рычков Г.С., Хайновский В.И. Проблемы высокотемпературного предела работы арсенидгаллиевых интегральных схем. // Микроэлектроника, 1996, т.25, п. 5, с.363-369.

58. Ильичев Э.А., Полторацкий Э.А., Рычков Г.С., Хайновский В.И. Арсенид галлия и высокотемпературные интегральные схемы. Москва (Зеленоград), 23-24 ноября 1995 г. Международная научно-техническая конференция «Микроэлектроника и информатика».

59. R.Itakura, D. Ueda, M.Hogio, M.Karumura. GaAs integrated hall sensor with temperature-stabilized characteristics up to 300 C. // Electron letters, 1989, v.27, n.22, p. 1493-1494.

60. Ильичев Э.А., Краснов В.Ф., Мушер С.Л., Полторацкий Э.А., Проць В.И, Рубенчик Л.М., Струц С.Г., СтупакМ.Ф. II Электронная промышленность, 1990, п.10, с.46-49.

61. Краснов В. Ф., Проць В.И, Рубенчик A.M., Струц С.Р. Ступак М. Ф. Нелинейно -оптическая диагностика кристаллов класса 43т. Предпринт

62. N410,Новосибирск,1989, 30 с.