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.

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 эксплуатацион-. ных характеристик созданных модификаций квантово-чувствительных координатных детекторов, обосновать области их предполагаемого использования.

Методы исследования.

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

Научная новизна.

— Впервые показано, что вольтамперная характеристика 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 примененияновизна 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 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 контакталинейная 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 анодав 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 °C 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, 2005 г.), 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, 2008 г.). 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.

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.

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 6,4×6,4 мм² с прямоугольным массивом каналов 128×128 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 °C 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.