Разработка и исследование координатных детекторов на арсениде галлия для цифровых рентгеновских аппаратов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.04, кандидат технических наук Лелеков, Михаил Александрович

• Лелеков, Михаил Александрович
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат 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 диссертации (часть автореферата) 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.

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 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 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

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.

Заключение диссертации по теме «Физическая электроника», Лелеков, Михаил Александрович

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 литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Лелеков, Михаил Александрович, 2009 год

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.