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

• Автор: Лелеков, Михаил Александрович
• Шифр специальности: 01.04.04
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2009
• Место защиты: Томск
• Количество страниц: 161 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
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 из-

лучения на основе арсенида галлия

1.3.1. Детекторы на основе полу изолирующего 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 СаАь детекторных
структур
2.3. Токоперенос в детекторах из арсенида галлия, компенсированного хро-

2.4. Измерение высоты барьера на границе металл-полуизолирующий арсе-
нид галлия
2.5. Динамика формирования фотоответа в детекторной структуре из арсе-
нида 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
ЗЛ. Оптимизация конструкций детекторов на 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
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ПРИЛОЖЕНИЕ А
ПРИЛОЖЕНИЕ Б
ПРИЛОЖЕНИЕ В
ПРИЛОЖЕНИЕ Г

ВВЕДЕНИЕ
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 ЕЕ2-центрами материале (ЬЕС ЗГ-ваАя), который
Детекторные образцы имеют симметричную структуру металл - полупроводник - металл с толщиной несколько сотен микрометров. В качестве материала контактов используют систему У-Аи, нанесенную термическим испарением. Вид вольтамперных характеристик приборов представлен на рисунке 1.23 [63].
« 10-® е

г «г

с ю»

1 ю'9
О 10-Ю 10'"
0.01 0.1 1 10 100 1000 Voltage, V
Рисунок 1.23 - Вольтамперные характеристики детекторов из арсенида галлия, компенсированного хромом [63].
Из рисунка видно, что в широком диапазоне напряжений зависимости являются линейными и симметричными для разных полярностей, а контакты поэтому «ведут» себя как омические. Вид ВАХ и распределения удельного сопротивления по толщине образца позволяет предположить, что распределение электрического поля в приборе является однородным. Это подтверждается экспериментально по измерениям распределения потенциала зондовым методом [52,63,65]. Таким образом, чувствительной областью прибора является весь объем прибора, заключенный между контактами, в отличие от нелегированного материала, где она определяется напряжением и редко превосходит 300 мкм. На компенсированном материале можно получить структуры с рабочей толщиной порядка 1 мм [51].
Анализ амплитудных спектров детекторов из арсенида галлия, компенсированного хромом, позволяет утверждать, что такие приборы характеризуются высокой эффективностью сбора заряда, до 90-100%, но при этом собираются лишь носители одного знака и они не являются спектрометрическими.
Среднее время жизни электронов, получаемое в таких структурах, не зависит от напряженности электрического поля и составляет порядка 10 не [66-69], что достигается лишь в лучших образцах на нелегированном материале. Для детекторов на данном материале проведены моделирование и расчет процессов разделения и сбора заряда [66,70-72]. С использованием GaAs(Cr)-cTpyKTyp разработаны и ис-

foiv/ard-blas о
о reverse bias
л"3 в