Разработка и исследование координатных детекторов на арсениде галлия для цифровых рентгеновских аппаратов

Лелеков, Михаил Александрович

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

Лелеков, Михаил Александрович АВТОР

кандидата технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Томск МЕСТО ЗАЩИТЫ

2009 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.04 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Разработка и исследование координатных детекторов на арсениде галлия для цифровых рентгеновских аппаратов»

Автореферат диссертации на тему "Разработка и исследование координатных детекторов на арсениде галлия для цифровых рентгеновских аппаратов"

удк 621.:

На правах рукописи

/уу

ЛЕЛЕКОВ МИХАИЛ АЛЕКСАНДРОВИЧ

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

Специальность: 01.04.04 — физическая электроника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Томск 2009

003465688

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

Научный руководитель:

доктор технических наук Айзенштат Геннадий Исаакович.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Троян Павел Ефимович;

кандидат физико-математических наук Нефсдцев Евгений Валерьевич.

Ведущая организация:

Государственный научный центр РФ Институт физики высоких энергий (г. Протвино).

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

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

Автореферат разослан «_» февраля 2009г.

Ученый секретарь диссертационного сонета

доктор технических наук, профессор Ю.П. Акулиничев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Эра цифровых технологий активно пошла в такие сферы деятельности человека как медицина, промышленность, безопасность, научные исследования и многие другие, где активно используются системы рентгеновского контроля. Преимущество цифровых полупроводниковых детекторов, в сравнении с аналоговыми сенсорами, на сегодняшний день не вызывает сомнений, поскольку их использование позволяет снизить дозы облучения, а современные информационные технологии предоставляют гибкие условия для получения, обработки, представления, передачи и хранения электронной информации, значительно улучшая диагностические возможности системы.

Внедрение цифровых технологии особенно актуально в медицинских учреждениях России, где парк рентгенографических аппаратов изношен на 70% [1]. Оснащение медицинских учреждений зарубежными аппаратами является дорогостоящим занятием. Поэтому разработка отечественных цифровых детекторов для систем рентгеновского контроля является крайне ваяемой задачей.

Проблема разработки цифровых полупроводниковых сенсоров состоит в том, что самый популярный материал - кремний не находит здесь широкого применения из-за его низких чувствительности к'рентгеновскому излучению и радиационной стойкости. Для регистрации излучения используют специальный конверсионный слой из сцинтиллятора, преобразующий рентгеновские кванты в фотоны видимого диапазона, которые регистрируются кремниевыми фотодиодами. При этом имеет место значительная потеря и размытие сигнала при его двойном преобразовании. Решение проблемы состоит в использовании новых материалов, способных непосредственно регистрировать ионизирующее излучение.

ном глубокими ЕЬ2-цеитрами материале (ЬЕС 81-ОаАя), который характеризуется малыми временами жизни электронов, связанными с захватом на глубокие Е1,2* ловушки электронов. Это в конечном итоге, приводит к появлению повышенных темповых токов в активной области, неоднородному распределению электрического поля, пробойным явлениям, резко ограничивающим эффективную толщину прибора.

Прогресс за последние десять лет в создании детекторного материала связан с работами томской научной школы под руководством Голбанова О.П., профессора Томского государственного университета. Был создан компенсированный хромом полуизолирующий арсенид галлия (81-СаАя:Сг) с высоким временем жизни электронов, в котором отсутствуют вышеперечисленные недостатки ЬЕС 81-СаАз структур. Отличительной особенностью БЬОаАз-.Сг является асимметрия дрейфовых длин электронов и дырок. Эта особенность структур требует детального анализа физических процессов, происходящих в активной области, и создание специальных оптимизированных конструкций и технологий формирования детекторов.

Актуальность темы диссертационной работы обусловлена необходимостью создания координатных детекторов с прямым преобразованием энергии кванта в электрический заряд, для чего нужно провести комплексные исследования по выяснению физики работы арсенидогаллиевых детекторов и разработки оптимизированных конструкций приборов и их технологии на основе 8[-ОаА$:Сг структур различных модификаций.

Целью диссертационной работы является исследование физических явлений и технологических факторов, влияющих на работу и характеристики детекторов и создание оптимизированных конструкций и технологий изготовления координатных детекторов на арсениде галлия.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Провести экспериментальные исследования токопереноса в детекторных структурах на основе полуизолирющего арсенида галлия, построить модели соответствующих процессов и разработать методики для определения основных характеристик материала, предназначенного для координатных детекторов.

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

3. Разработать новые технологические маршруты для реализации детекторов и выяснить влияние различных технологических факторов на параметры детектора. Исследовать возможности снижения паразитных токов в детекторах и разработать технологические методы создания приборов с оптимизированными характеристиками, стабильными во времени.

4. Провести экспериментальные исследования предельных эксплуатационных характеристик созданных модификаций квантово-чувсгвительных координатных детекторов, обосновать области их предполагаемого использования.

Методы исследования

При изучении свойств полупроводникового материала использовались измерения, основанные на эффекте Холла, электрические зондовые измерения, измерение вольт-фарадных характеристик, фотоэлектрические, и другие методы. Проводилось изучение вольт-амперных характеристик детекторов при импульсном и непрерывном питании. Изучались характеристики приборов при сканировании рабочих областей оптическим излучением и гамма-квантами. Исследовались амплитудные спектры от воздействия гамма-квантов и элементарных частиц.

Научная новизна

- Впервые показано, что вольтамперная характеристика ОаЛ5(Сг)-детсктора на начальном участке не является линейной, а удельное сопротивление, найденное из анализа ВАХ прибора, может в несколько раз превосходить сопротивление материала.

- Предложена модель механизма протекания темпового тока в детекторах на основе арсенида галлия, компенсированном хромом, учитывающая инжекцию дырок из анода в активную область. Отличительной особенностью является то, что зависимость тока дырок ограниченного пространственным зарядом от напряжения является не квадратичной, а линейной.

- Установлено, что изменение зарядового состояния ловушек в объеме детектора, например, при подсветке прибора излучением с различной длиной волны, деформирует электрическое поле в структуре и определяет преимущественный механизм протекания тока детектора.

- Разработан оригинальный экспресс-метод неразрушающего контроля параметров детекторных структур на основе полуизолирующего материала, позволяющий определить важнейшие характеристики материала и параметры приборов, знание которых необходимо при производстве детекторов.

- Предложены принципы конструирования координатных детекторов на основе ОаЛй(Сг) структур с заданными характеристиками и технологические способы изготовления детекторов для различных областей применения; новизна приборов и методов их создания подтверждена двумя патентами России.

Практическая значимость работы

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

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

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

4. В рамках международного проекта с участием «Объединенного института ядерных исследований» (г. Дубна) спроектирован и изготовлен матричный детектор для сэндвич-калориметра, который использован в экспериментах на ускорителе «ЭЕЯУ» (Дармштадт, Германия).

Научные положения, выносимые на защиту

1 Плотность темпового тока детекторных структур на основе компенсированного хромом арсенида галлия с металлическими контактами определяется монополярной инжекцией дырок из анодного контакта; линейная зависимость тока от напряжения, при средней напряженности электрического поля 0,5-10 кВ/см,

формируется » условиях протекания тока, мраниченного пространственным зарядом, с учётом захвата дырок на глубокие центры.

2 Облучение GаЛs(Cг)-детект оров ионизирующим излучением высокой интенсивности обуславливает деформацию распределения электрического поля, вследствие изменения заряда на ловушках: при облучении рентгеновскими квантами (с энергией больше 40 кэВ) провал напряженности электрического поля наблюдается у анода; в стационарном состоянии протекание тока в детекторе происходит и условиях режима тока, ограниченного пространственным зарядом, при сильном захвате носителей заряда на ловушки.

3 Вид амплитудного спектра рентгеновского G a A s (С г) -д ете кто ра можно изменить и за счет этого увеличить амплитуду выходного сигнала: а) для детектора из эпитаксиального материала, если облучать его под углом к поверхности катода (менее 10 градусов), б) для детектора из объемного материала, если направить рентгеновский пучок в горец детектора параллельно поверхности катода, и увеличить толщину рабочей области, закрыв часть торца детектора у анода.

4 Отжиг GaAs(Cr)-;iereicTopa с меза-структурой при температурах выше 350°С и последующая выдержка на воздухе пли в атмосфере кислорода приводит к значительному снижению и долговременной стабилизации поверхностных токов утечки независимо от типа газа (Н2, N, Не, Аг и т.д.), в атмосфере которого был проведен отжиг.

Апробация результатов работы

родная конференция «Арсенид галлия и полупроводниковые соединения группы III -V. GaAs - 2006» (Томск, 2006 г.), International Workshops and Tutorials on Electron Devices and Materials "EDM - 2006" (Erlagol, 2006), IEEE International Siberian Conference on Control and Communications «SIBCON-2007» (Tomsk, 2007), 2-я Международная научно-практическая конференция «Актуальные проблемы радиофизики - АПР-2008» (Томск, 2008г.). Кроме того, результаты работы прошли конкурсный отбор по программам: Всероссийский конкурсный отбор инновационных проектов аспирантов и студентов по приоритетному направлению «Безопасность и противодействие терроризму» в рамках Федеральной целевой научно-технической программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники» (Барнаул, 2005 г.), Выполнение научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по приоритетным направлениям развития науки и техники с участием победителей программы «Участник молодежного научно-инновационного конкурса (УМНИК-06)», проводимой при поддержке Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере.

Публикации

Основное содержание диссертации опубликовано в 30 работах, являющихся частью списка литературы, цитируемого в диссертации, в том числе - 9 статьях в рецензируемых журналах, 2 патентах на изобретение.

Личный вклад автора

Диссертационная работа является результатом исследований автора, проводившихся в тесном сотрудничестве с коллегами из ОАО «НИИПП», ОСП «СФТИ ТГУ» и других организаций. Формулировка целей и задач исследования, выбор путей их решения, обсуждение полученных результатов выполнены автором совместно с научным руководителем. Лично автором предложены физические модели, выполнены теоретические расчеты и обоснование физических моделей, подготовлены и проведены экспериментальные исследования, выполнены измерения ряда характеристик приборов и обработка экспериментальных результатов.

Структура и объём диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и четырех приложений. Объём работы составляет 161 страниц машинописного текста, включая 132 рисунка, 140 ссылок на литературные источники.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

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

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

В заключение к первой главе формулируются цели и задачи исследований.

Вторая глава диссертации посвящена исследованию электрофизических характеристик С а А С г)-детектор о в. Особое внимание уделено изучению вольтампер-ных характеристик (ВАХ) детекторных структур. Ранее считалось, что детекторную структуру из компенсированного хромом арсенида галлия можно рассматривать как

/, нА

U. В

Рисунок 1 - ВАХ образцов при 300FC: 1- экспериментальные данные; 2- линейная экстраполяция.

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

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

Ощ

rpL

V + j,

(1)

где 9 - отношение средней концентрации свободных дырок в активной области к концентрации дырок, захваченных на ловушки, ее0 - диэлектрическая проницаемость полупроводника, гр — время жизни дырок, U - приложенное внешнее напряжение, L -длина образца,/, - плотность обратного тока барьера Шоттки.

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

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

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

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

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

толщшюй. чипы I/к Т.

Дальнейшие исследования переноса заряда, позволившие детально разобраться в этом вопросе проводились с использованием различных источников ионизирующего излучения. Часть экспериментов проводилась на специально созданной экспериментальной установке. В качестве источников ионизирующих излучений использовались светодиоды красного (/.=0.6б±0.01 мкм) и инфракрасного диапазонов (к=0,92±0,03 мкм), моделирующие рентгеновские кванты с разной энергией. Для проведения экспериментов с рентгеновскими квантами использовался мощный источник рентгеновских импульсов наносекунднон длительности, разработанный в Институте сильноточной электроники СО РАН, г.Томск, принцип действия которого основан на эффекте взрывной эмиссии. Показано, что С а А $( С г) - д ете кт о р ы способны регистрировать сверхмощные рентгеновские импульсы наносекундной длительности.

Экспериментальные результаты, иллюстрирующие формы выходных сигналов детектора в зависимости от длительности световых импульсов (рисунок 4) и от мощности рентгеновского излучения, а также проведенное математическое моделирование позволили сделать вывод о том, что главными причина-ми, приводящими к аномальным характеристикам выходного сигнала, являются процессы захвата электронов и дырок на глубокие центры. Показано, что облучение СаА5(Сг)-детекторов ионизирующим излучением высокой интенсивности обуславливает деформацию распределения электрического поля, вследствие изменения заряда на ловушках: при об-

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

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

Результаты экспериментов со светодиодами дали важный практический результат: показано, что с использованием коротких импульсов красного и инфракрасного излучений (рисунок 46), в том случае, когда общий заряд Q, прошедший через прибор, подчиняется условию: 0'(а:ц)«Етс^ (где £теа„ - средняя напряженность электрического поля в структуре), амплитуда выходного сигнала прямо пропорциональна

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

Эти выводы позволили обосновать новую методику неразрушающего контроля качества пластин из полуизолирующего GaAs материала. Блок-схема установки приведена на рисунке 6. Здесь в качестве контактов к полупроводнику выступает электролит. Методика позволяет прогнозировать ССЕ детекторов и измерять времена жизни

Рисунок 5 - Экспериментальные и теоретические зависимости ССЕ от напряженности электрического поля. / -нормированная зависимость выходного сигнала при облучении красным свето-диодом; 2 - ССЕу, построенная с использованием аппроксимации Кремера; 3 -ССЕу, построенная с использованием аппроксимации Шура; 4 - ССЕу полученная при облучении радиоактивным источником 241 Аш.

Рисунок 6 - Блок-схема установки измерения параметров арсеиидогаллневых детекторных структур.

электронов. Разработанная установка позволяет обойтись без опасных радиоактивных источников, использования сложной дорогостоящей аппаратуры, является неразрушающей и позволяет сократить финансовые и временные затраты. В настоя-

щий момент она внедрена и используется в технологическом цикле производства ОАО «НИИПП».

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

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

парата. Результаты расчетов легли в основу на которую получен патент России.

новой конструкции детекторного модуля,

Рисунок 7 - Схема облучения детектора через коллиматор.

Рисунок 8 - Форма амплитудных спек-

тров детектора в зависимости от толщины прибора с/ при Е = 1 кВ/см: 1 - 100 мкм, 2 -250 мкм, 3 - 400 мкм, 4 - 1000 мкм.

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

' 0 200 400 600 800 1 ООО/мкм

40 £,кэВ

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

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

толщины детектора </ при разных ных спектров рассчитанных для детектора толщиной с1

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

10 20 30 40 50 60£о,юВ Рисунок 11 -Эффективность

10 15 20 25 Е,тВ

Рисунок 12 - Амплитудные спектры детекторов при сбора заряда для разных углов на- разных углах наклона детекторов: а=90°(а), а=18° (б), клона детектора: 1-а = 90", 2-а = 6°.

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

этапы разработанного технологического маршрута. Предложенный способ позволяет избежать возникновения дефектов, появляющихся на поверхности структуры после диффузии в виде капель интерметаллических соеди-

Рисунок 13 - Схема технологического маршрута.

8Ю2

нений хрома, мышьяка и галлия диаметром несколько сотен микрометров, и увеличить процент выхода годных структур.

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

конструкция прибора,

рисунок 14е, и разра-резист ботана оригинальная технология ее реализации, представленная на рисунке 14. Суть новой конструкции состоит в том, что в эквивалентной схеме детектора

хФото-

п'

У+Аи

Рисунок 14 - Схема технологического маршрута.

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

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

аН2

1,нА 6 5 4 3 2 1

- до отжига .

- после отжига;

- через 6 дней;

- через 15 дней;

- через 20 дней;

- через 77 дней;

- через 7 месяцев

1,нА 6 5 4 3 2 1

--до отжига;

- - после отжига,"^,

- - через 5 дней; -- через 12 дней; -- через 48 дней;

- - через 6 месяцев.

1,нА 6

5 4 3 2 I

—■— - до отжига; —•— - после отжига;

- через 5 дней.

- через 14 дней;

- через 55 дней;

- через 6 местуев»

Н2+оТ

5 10 №каиала '0 5 10 №канала '0 5 10 №канала

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

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

, » | — щ 'г •-ч ■ ........та» 1(8.1.........г—

г I 1 V \ 1 -

5 0,6 §0,5 5 0,4

I о.з

1 0,2 ч

9 0.1 а

<0 0,0

♦ ■

100 кВ 120 кВ 140 кВ

¡60 кВ *

■

♦

Рисунок 16-Детекторный модуль

0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 1, МА

Рисунок 17 - Зависимости выходного сиг-

сканирующего типа. нала детекторов от тока рентгеновской трубки.

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

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

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

Рисунок 18 - Фото- Рисунок 19 - Схема расположе- Рисунок 20 - Фото-

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

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

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

Дальнейшее улучшение пространственного разрешения однокоординатных де-

Рисунок 21 - Изображение тестового объекта с разрешением 5 пар линий на миллиметр.

текторов наталкивается на серьезные ограничения, так как для получения контрастного изображения объекта требуется увеличить мощность рентгеновского источника в десятки раз. Решение возникшей проблемы возможно при замене линейного координатного детектора матричным детектором. Данный способ предполагает соединение пиксельных (матричных) детекторов на арсениде галлия с кремниевыми интегральными микросхемами (мультиплексорами) посредством «Шр-сЫр»-тсхнологии. На рисунках 22 и 23 представлены схематическое изображение и фотография такой микросборки. Разработанный матричный детектор имел 128x128 каналов, расположенных с шагом 50 мкм, и был использован в составе микросборки для создания системы регистрации рентгеновских изображений в Научном центре «Институт физики высоких энергий», г. Протвино. Проведенные испытания показали, что пространственное разрешение двухкоординатного ваЛв-детектора в составе микросборки составляет 9 пар линий на мм, а контрастная чувствительность не ниже 1%.

Кремниевый мультиплексор

Столбиковые соединения Матричный детектор из ОаАэ(Сг)

г.л&Л у.,

Рисунок 22 -Соединение матричного детектора с электроникой считывания «ГКр-сЫр»- методом.

Рисунок 23 - Фотография микросборки, размещенной на плате.

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

Ш, - Помимо цифровых

шяи ' рентгеновских аппаратов, наши детекторы находят свое применение в экспериментах ¿^ ~ по физике высоких энергий. В ' международном проекте с участием Объединенного инсти-

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

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

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы.

В приложении приведены акты внедрения результатов работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1 Предложена модель протекания темпового тока в ОаЛ5(Сг)-дстекторах, учитывающая инжекцию дырок из анода в активную область и частичный захват дырок на ловушки. При этом впервые показано, что сопротивление прибора в несколько раз превосходит предельное сопротивление материала, а начальный участок вольтам-перной характеристики имеет загиб.

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

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

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

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

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

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

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

8 Разработаны детекторы для экспериментов в физике высоких энергий.

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

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

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

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

3 Г.И. Айзеиштат, М.А. Лелеков, В.А. Новиков, Л.С. Окаевич, О.П. Толба-иов. Токопсрепос в детекторах на основе арсепида галлия, компенсированного хромом // ФТП- 2007. Т. 41, вып. 5. - С. 631 - 634.

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

5 Г.И. Айзенштат, М.А. Лелеков, О.П. Толбанов. Измерение высоты барьера на границе металл- полу изолирующий арсенид галлия // ФТП- 2007. Т. 41, вып. 11. -С. 1327-1328.

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

C. 451 -456.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

15 Д.Л. Будницкий, Д.Ю. Мокеев, В.А. Новиков, О.П. Толбанов, А.В. Тяжев, М.А. Лелеков, И.В. Пономарев, Г.И. Айзенштат, И.И. Надреев, И.Ф. Нам, М.А. Рожнев, С.А. Рябков. Детекторный модуль для сканирующих систем рентгеновского контроля // Девятая конференция «Арсенид галлия и полупроводниковые соединения группы 1II-V» (3-5 октября 2006 г., Томск, Россия) «GaAs-2006»: Материалы конференции. - Томск: Томский госуниверситет, 2006. - С. 493-495.

16 Д.Л. Будницкий, Д.Ю. Мокеев, В.А. Новиков, О.П. Толбанов, А.В. Тяжев, М.А. Лелеков, И.В. Пономарев, Г.И. Айзенштат, И.И. Надреев, И.Ф. Нам, М.А. Рожнев, С.А. Рябков, Б.Р. Короткое, С.Б. Чащин. Блок детектирования на основе GaAs-детекторов для сканирующих рентгеновских систем неразрушающего контроля // Девятая конференция «Арсенид галлия и полупроводниковые соединения группы II1-V» (3-5 октября 2006 г., Томск, Россия) «GaAs-2006»: Материалы конференции. -Томск: Томский госуниверситет, 2006. - С. 533-536.

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

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

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

Список цитируемой литературы

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

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

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

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

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

Подписано к печати 24.02.2009. Тираж 100 экз.

Код-во стр. 23. Заказ №05-09 Бумага офсетная. Формат А-5. Печать RISO. Отпечатано в типографии ООО «РауШмбх» Лицензия Серия ПД № 12-0092 от 03.05.2001г. 634034, г. Томск, ул. Усова 7, ком. 046 тел. (3822) 56-44-54

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата технических наук, Лелеков, Михаил Александрович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. КООРДИНАТНЫЕ ДЕТЕКТОРЫ НА ОСНОВЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СТРУКТУР ДЛЯ ЦИФРОВЫХ РЕНТГЕНОВСКИХ АППАРАТОВ (Литературный обзор)

1.1. Координатные детекторы в современных медицинских аппаратах.

1.2. Материалы для полупроводниковых детекторов

1.3. Современное состояние дел по созданию детекторов ионизирующего излучения на основе арсенида галлия

1.3.1. Детекторы на основе полуизолирующего арсенида галлия

1.3.2. Детекторы на основе эпитаксиального арсенида галлия

1.3.3. Детекторы на основе арсенида галлия, компенсированного хромом

1.4. Выводы к главе

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ДЕТЕКТОРНЫХ СТРУКТУР НА ОСНОВЕ

ПОЛУИЗОЛИРУЮЩЕГО АРСЕНИДА ГАЛЛИЯ

2.1. Исследование амплитудных спектров ОаАз(Сг) -структур

2.2. Исследование вольтамперных характеристик ваАэ детекторных структур

2.3. Токоперенос в детекторах из арсенида галлия, компенсированного хро

2.4. Измерение высоты барьера на границе металл-полуизолирующий арсенид галлия

2.5. Динамика формирования фотоответа в детекторной структуре из арсенида галлия

2.5.1. Воздействие излучением оптического диапазона

2.5.2. Воздействие рентгеновским излучением

2.5.3. Выводы к подразделу.

2.6. Разработка неразрушающей методики измерения параметров структур

2.7. Выводы к главе

ГЛАВА 3. КОНСТРУКТИВНЫЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ПОСТРОЕНИЯ КООРДИНАТНЫХ ДЕТЕКТОРОВ НА ПОЛУИЗОЛИРУЮЩЕМ АРСЕНИДЕ ГАЛЛИЯ . . 84 3.1. Оптимизация конструкций детекторов па арсениде галлия, компенсированном хромом

3.1.1. Приборы на объемном материале

3.1.2. Приборы на эпитаксиальном материале

3.2. Особенности создания детекторов на эпитаксиальном материале

3.3. Влияние технологических факторов на поверхностные токи утечки

3.3.1. Экспериментальные данные.

3.3.2. Обсуждение результатов эксперимента

3.4. Выводы к главе

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА ДЕТЕКТОРНЫХ МОДУЛЕЙ ДЛЯ ЦИФРОВЫХ

РЕНТГЕНОВСКИХ АППАРАТОВ

4.1. Арсенидогаллиевые детекторы для медицинских систем

4.1.1. Детекторы для флюорографии

4.1.2. Детекторы для маммографии

4.2. Разработка детекторного модуля на основе матричного кристалла.

4.3. Координатные детекторы для экспериментов в физике высоких энергий

4.3.1. Микростриповые детекторы на GaAs с контактами на основе модифицированных ионами слоев полупроводника

4.3.2 Координатные детекторы для эксперимента по изучению электрон-позитронных взаимодействий

4.4. Выводы к главе

Введение диссертация по физике, на тему "Разработка и исследование координатных детекторов на арсениде галлия для цифровых рентгеновских аппаратов"

Актуальность работы. Эра цифровых технологий активно вошла в такие сферы деятельности человека как медицина, промышленность, безопасность, научные исследования и многие другие, где активно используются системы рентгеновского контроля. Преимущество цифровых полупроводниковых детекторов, в сравнении с аналоговыми сенсорами, на сегодняшний день не вызывает сомнений, поскольку их использование позволяет снизить дозы облучения, а современные информационные технологии предоставляют гибкие условия для получения, обработки, представления, передачи и хранения электронной информации, значительно улучшая диагностические возможности системы.

Внедрение цифровых технологий особенно актуально в медицинских учреждениях России, где парк рентгенографических аппаратов изношен на 70% [1]. Оснащение медицинских учреждений зарубежными аппаратами является дорогостоящим занятием. Поэтому разработка отечественных цифровых детекторов для систем рентгеновского контроля является крайне важной задачей.

Проблема разработки цифровых полупроводниковых сенсоров состоит в том, что самый популярный материал - кремний не находит здесь широкого применения из-за его низких чувствительности к рентгеновскому излучению и радиационной стойкости. Для регистрации излучения используют специальный конверсионный слой из сцинтиллятора, преобразующий рентгеновские кванты в фотоны видимого диапазона, которые регистрируются кремниевыми фотодиодами. При этом имеет место значительная потеря и размытие сигнала при его двойном преобразовании. Решение проблемы состоит в использовании новых материалов, способных непосредственно регистрировать ионизирующее излучение.

Одним из перспективных материалов является полуизолирующий арсенид галлия, способный работать при комнатных температурах и обладающий на порядок большими значениями коэффициентов поглощения рентгеновского излучения, чем кремний. Работы по созданию таких детекторов ведутся уже в течение пятнадцати лет в ведущих лабораториях мира [2,3]. Главной проблемой при разработке детекторов на арсениде галлия является невозможность создания детекторного материала с низким содержанием примесей. Традиционно детекторы строятся на компенсированном глубокими ЕЬ2-центрами материале (LEC SI-GaAs), который 4 характеризуется малыми временами жизни электронов, связанными с захватом на глубокие EL2+ ловушки электронов. Это в конечном итоге, приводит к появлению повышенных темновых токов в активной области, неоднородному распределению электрического поля, пробойным явлениям, резко ограничивающим эффективную толщину прибора.

Прогресс за последние десять лет в создании детекторного материала связан с работами томской научной школы под руководством Толбанова О.П., профессора Томского государственного университета. Был создан компенсированный хромом полуизолирующий арсенид галлия (SI-GaAs:Cr) с высоким временем жизни электронов, в котором отсутствуют вышеперечисленные недостатки LEC SI-GaAs структур. Отличительной особенностью SI-GaAs:Cr является асимметрия дрейфовых длин электронов и дырок. Эта особенность структур требует детального анализа физических процессов, происходящих в активной области, и создание специальных оптимизированных конструкций и технологий формирования детекторов.

Актуальность темы диссертационной работы обусловлена необходимостью создания координатных детекторов с прямым преобразованием энергии кванта в электрический заряд, для чего нужно провести комплексные исследования по выяснению физики работы арсенидогаллиевых детекторов и разработки оптимизированных конструкций приборов и их технологии па основе SI-GaAs:Cr структур различных модификаций.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

4. Провести экспериментальные исследования предельных эксплуатацион-. ных характеристик созданных модификаций квантово-чувствительных координатных детекторов, обосновать области их предполагаемого использования.

Методы исследования

Научная новизна

- Впервые показано, что вольтамперная характеристика ОаА5(Сг)-детектора на начальном участке не является линейной, а удельное сопротивление, найденное из анализа ВАХ прибора, может в несколько раз превосходить сопротивление материала.

- Предложена модель механизма протекания темнового тока в детекторах на основе арсенида галлия, компенсированном хромом, учитывающая инжек-цию дырок из анода в активную область. Отличительной особенностью является то, что зависимость тока дырок ограниченного пространственным зарядом от напряжения является не квадратичной, а линейной.

- Установлено, что изменение зарядового состояния ловушек в объеме детектора, например, при подсветке прибора излучением с различной длиной волны, деформирует электрическое поле в структуре и определяет преимущественный хмеханизм протекания тока детектора.

- Разработан оригинальный экспресс-метод неразрушающего контроля параметров детекторных структур на основе полуизолирующего материала, позволяющий определить основные характеристики материала и параметры приборов, знание которых необходимо при производстве детекторов.

- Предложены принципы конструирования координатных детекторов на основе СаАз(Сг) структур с заданными характеристиками и технологические способы изготовления детекторов для различных областей применения; новизна приборов и методов их создания подтверждена двумя патентами России.

Практическая значимость работы

4. В рамках междунородного проекта с участием «Объединенного института ядерных исследований» (г. Дубна) спроектирован и изготовлен матричный детектор для сэндвич-калориметра, который использован в экспериментах на ускорителе «ЭЕЭУ» (Дармштадт, Германия).

Личный вклад автора

Диссертационная работа является результатом исследований автора, проводившихся в тесном сотрудничестве с коллегами из ОАО «НИИПП», ОСП «СФТИ ТГУ» и других организаций. Формулировка целей и задач исследования, выбор путей их решения, обсуждение полученных результатов выполнены автором 7 совместно с научным руководителем. Лично автором предложены физические модели, выполнены теоретические расчеты и обоснование физических моделей, подготовлены и проведены экспериментальные исследования, выполнены измерения ряда характеристик приборов и обработка экспериментальных результатов.

Научные положения, выносимые на защиту

1 Плотность темнового тока детекторных структур на основе компенсированного хромом арсенида галлия с металлическими контактами определяется монополярной инжекцией дырок из анодного контакта; линейная зависимость тока от напряжения, при средней напряженности электрического поля 0,5-10 кВ/см, формируется в условиях протекания тока, ограниченного пространственным зарядом, с учётом захвата дырок на глубокие центры.

2 Облучение ОаАз(Сг)-детекторов ионизирующим излучением высокой интенсивности обуславливает деформацию распределения электрического поля, вследствие изменения заряда на ловушках: при облучении рентгеновскими квантами (с энергией больше 40 кэВ) провал напряженности электрического поля наблюдается у анода; в стационарном состоянии протекание тока в детекторе происходит в условиях режима тока, ограниченного пространственным зарядом, при сильном захвате носителей заряда на ловушки.

3 Вид амплитудного спектра рентгеновского СаАБ(Сг)-детектора можно изменить и за счет этого увеличить амплитуду выходного сигнала: а) для детектора из эпитаксиального материала, если облучать его под углом к поверхности катода (менее 10 градусов), б) для детектора из объемного материала, если направить рентгеновский пучок в торец детектора параллельно поверхности катода, и увеличить толщину рабочей области, закрыв часть торца детектора у анода.

4 Отжиг СаАз(Сг)-детектора с меза-структурой при температурах выше 350°С и последующая выдержка на воздухе или в атмосфере кислорода приводит к значительному снижению и долговременной стабилизации поверхностных токов утечки независимо от типа газа (Н2,14, Не, Аг и т.д.), в атмосфере которого был проведен отжиг.

Апробация результатов работы

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: Международная школа-семинар молодых ученых «Современные проблемы физики, технологии и инновационного развития» (Томск, 2004 г.), International Workshops and Tutorials on Electron Devices and Materials "EDM - 2005" (Er-lagol, 2005), IEEE International Siberian Conference on Control and Communications «SIBCON-2005» (Tomsk, 2005), The 9th Korean-Russian Inernational Symposium on Science and Technology «KORUS2005» (Novosibirsk, 2005), Международная школа-семинар молодых ученых «Современные проблемы физики, технологии и инновационного развития» (Томск, 2005г.), 3-я Всероссийская конференция молодых ученых «Фундаментальные проблемы новых технологий в 3-м тысячелетии» (Томск, 2006 г.), Девятая международная конференция «Арсенид галлия и полупроводниковые соединения группы III - V. GaAs - 2006» (Томск, 2006 г.), International Workshops and Tutorials on Electron Devices and Materials "EDM - 2006" (Erlagol, 2006), IEEE International Siberian Conference on Control and Communications «SIBCON-2007» (Tomsk, 2007), 2-я Международная научно-практическая конференция «Актуальные проблемы радиофизики - АПР-2008» (Томск, 2008г.). Кроме того, результаты работы прошли конкурсный отбор по программам: Всероссийский конкурсный отбор инновационных проектов аспирантов и студентов по приоритетному направлению «Безопасность и противодействие терроризму» в рамках Федеральной целевой научно-технической программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники» (Барнаул, 2005 г.), Выполнение научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по приоритетным направлениям развития науки и техники с участием победителей программы «Участник молодежного научно-инновационного конкурса (УМНИК-06)», проводимой при поддержке Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере.

Публикации

Структура и объём диссертации

Заключение диссертации по теме "Физическая электроника"

4.4. Выводы к главе

1. Разработаны однокоординатные детекторы и регистрирующие модули на их основе для цифровых сканирующих рентгеновских систем, предназначенных для флюорографии и медицинских систем общего назначения. Проведенные испытания показали их высокие разрешающую способность и контрастную чувствительность - на уровне 2,8 пар линий/мм и 3% соответственно. Данные параметры являются достаточными для использования таких систем в медицинской практике и не уступают по уровню зарубежным аналогам. Представленные детекторные модули легли в основу первых прототипов отечественных цифровых аппаратов на полупроводниковых детекторах с прямым преобразованием энергии квантов в электрический сигнал и внедрены в производство в ряде научных центров и научно-инновационных производственных фирм.

2. Разработаны однокоординатные детекторы и регистрирующие модули на их основе для малодозовых цифровых сканирующих маммографов на основе эпитак-сиального и объёмного ваАБ, компенсированного хромом. Эпитаксиальные р-1-п-структуры устанавливались под углом 6° к направлению рентгеновского пучка и работали в фотовольтаическом режиме. Конструкции приборов на объёмном материале имели рекордно малые значения темновых токов (на уровне 70 пА при рабочих напряжениях). Разработана оригинальная конструкция детектора с шагом чувствительных элементов 100 мкм, в котором отсутствовали «мертвые» зоны и связь между каналами. Показано, что данные детекторы удовлетворяют всем требованиям, предъявляемым к детекторам для цифровых маммографов. Получено пространственное разрешение 5 пар линий на миллиметр, установлено, что детекторы характеризуются высокой линейностью зависимости выходного сигнала от тока рентгеновской трубки при изменении его от 1 до 90 мА. Предложена методика измерения ВАХ каналов координатных детекторных линеек.

3. Разработана двухкоордннатная детекторная матрица, сопрягающаяся со специализированной отечественной микросхемой-мультиплексором. Матрица имеет активную площадь 6,4x6,4 мм2 с прямоугольным массивом каналов 128x128 штук расположенных с шагом 50 мкм. Для соединения контактов каналов сенсора с электронным чипом «Шр-сЫр»-методом была разработана технология изготовления столбиков из 1п и Би-Ш на контактах детекторной матрицы. С помощью изготовленного модуля получено рентгеновское изображение с пространственным разрешением 9 пар линий/мм и контрастной чувствительностью 1%.

4. Разработана оригинальная технология создания микрострипового детектора большой площади для экспериментов в физике высоких энергий. В качестве контактных слоев и резисторов детектора были использованы модифицированные ионами слои полуизолирующего материала. Тем самым удалось существенно упростить технологию и повысить процент выхода годных детекторов без ухудшения их харакетристик.

5. Разработан детектор сэндвич-калориметра для международного проекта, проводимого на ускорителе «БЕ8У» (Гамбург, Германия), по изучению электрон-позитронных взаимодействий. Испытания на радиационную стойкость показали, что детекторы на арсениде галлия, компенсированном хромом, на порядок превосходят по этому параметру приборы из радиационно-стойкого кремния, уступая лишь алмазу. В настоящее время они монтируются в установку и являются пока единственным рабочим прототипом детектора для проводимого эксперимента.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В процессе выполнения диссертационной работы проведены систематические исследования, посвященные физико-технологическим проблемам разработки цифровых координатных рентгеновских детекторов на арсениде галлия, компенсированном хромом. Все задачи, решённые в рамках данной диссертации, продиктованы практикой, необходимостью реализации приборов с лучшими параметрами. Для этого был проведен комплекс исследований, включающих экспериментальные и расчетные методы с целью оптимизации конструкций и технологий детекторов для рентгеновских аппаратов различного назначения. В результате выполнения работы получены следующие основные результаты.

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

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

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

4. Проведены теоретические и экспериментальные исследования, направленные на оптимизацию конструкций детекторов. Показано, что вид амплитудного спектра рентгеновского СаАз(Сг)-детсктора можно изменить и за счет этого увеличить амплитуду выходного сигнала: а) для эпитаксиального детектора, если его облучать под углом к катоду (менее 10 градусов), б) для детектора из объемного материала, если направить рентгеновский пучок перпендикулярно сечению детектора (параллельно электродам), и увеличить толщину рабочей области, закрыв часть сечения прибора у анода.

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

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

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

8. Разработаны детекторы для экспериментов в физике высоких энергий.

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

В заключение автор выражает глубокую благодарность научному руководителю д.т.н. Г.И. Айзенштату за помощь и ценные замечания при обсуждении результатов работы, а также сотрудникам отдела материаловедения ОАО «НИШ 111» и ОСП СФТИ ТГУ за предоставленные диффузионные и эпитаксиальные структуры из ОаАз(Сг). Отдельные слова благодарности А.И. Иващенко и Л.Г. Шаповалу за помощь в изготовлении детекторных структур и при сборке координатных модулей.

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата технических наук, Лелеков, Михаил Александрович, Томск

1. Белова И.Б., Китаев В.М. Цифровые технологии получения рентгеновского изображения: принцип формирования и типы (обзор литературы) // Медицинская визуализация, 2000. - №1. - с.33-40.

2. Блинов Н. Н., Блинов Н. Н. (мл.), Васильев А.Ю. Современное состояние цифровой рентгенологии в России // Медицинский бизнес №4 (128) 2005- с. 6-9.

3. Лииев В. Н. Роль современных сканирующих технологий в цифровой рентгендиагностике // http://www.adani.by/publications/ru/02.php

4. Блинов Н. Н., Варшавский Ю.В., Зеликман М.И., Цифровые преобразователиизображений для медицинской радиологии. Компьютерные технологии в медицине. М., Компьютерные технологии в медицине, 3(1997), с. 19-24.

5. Бару С.Е., Украинцев Ю.Г. Промышленное производство цифровых флюорографических аппаратов // http://sobor.vinchi.ru/isport/html/index.php/modules. php?name=News&f~ile=article&sid=132

6. McGregor D.S., Hermon Н. Room-temperature compound semiconductor radiationdetectors// Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. 1997 -A 395 -P.101-124

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

8. Markov A.V., et al, Semi-inslating LEC GaAs as material for radiation detectors:materials science issues //Nucl. Instr. and Meth. -2001.-A 466, P.14-25

9. Smith A. P. Image Quality of CR Mammography http://hologic.com/wh/ pdf/W-BI1. CR 1 l-06.pdf

10. CR for Mammography http://www.kodakdental.com/kds/chiHome.aspx

11. Мякишева Т. В. Цифровая маммография в клинической практике // Медицинский бизнес №10 (146) с. 62-64 2006

12. Блинов Н.Н., Гуржиев А.Н., Станкевич Н.Е., Анализ состояния отечественногопарка рентгенодиагностической аппаратуры и перспективы его развития // Менеджер здравоохранения №8 2004, http://www.roentgen.ru/news/ manaeer 2004 8.shtml13.