Введение к работе
Актуальность темы
В настоящее время на отечественных и зарубежных рынках доминирующим исходным материалом для производства твердотельных детекторов является высокоомный кремний. Из ряда зарубежных фирм, занимающихся изготовлением и продажей кремниевых датчиков подобного типа, следует упомянуть: японскую фирму «Hamamatzu» с объемом продаж порядка 20 млн. долларов в год, а также европейские фирмы «Artec» и «Cember» с объемом продаж ~ 4 млн. долларов в год.
Однако, бурное развитие ядерных технологий и физики частиц высоких энергий, а также возрастающая актуальность задач, связанных с загрязнением радиоактивными нуклидами природных газов и жидких сред диктуют необходимость поиска альтернативных кремнию материалов с повышенной радиационной и термостойкостью.
Различными исследовательскими группами и коммерческими фирмами проводятся интенсивные разработки детекторов ионизирующих излучений на альтернативных кремнию материалах. Ниже, в таблице приведены сравнительные характеристики, достигнутые для ряда наиболее перспективных материалов.
Таблица. Сравнительные характеристики альтернативных детекторов.
Примечание: (*) - фирма Hamamatzu (Япония), (**) - фирма Канберра-Паккард (США), (***) - фирма Cember, (****) -данные публикаций в научной периодике.
При этом, эксплуатация детекторов на основе первых двух из представленных в таблице альтернативных кремнию материалов требует охлаждения, а временная стабильность их работы неудовлетворительна.
Датчики на основе арсенида галлия интенсивно разрабатываются и исследуются европейскими и российскими исследователями. Эти работы пока находятся в стадии лабораторных разработок и испытаний, а предполагаемыми областями их использования считают физику высоких энергий, технологии производства и утилизацию ядерных материалов, а также задачи, связанные со спецвоздействиями.
На пути разработок детекторов на основе арсенида галлия встретился ряд принципиальных трудностей, резко ограничивающих их порог чувствительности и энергетическое разрешение ( > 10%). Связаны они, как показали комплексные исследования, с необходимостью использования полуизолирующего материала, который в арсенидгаллиевой технологии изготавливается только посредством компенсации значительной концентрации фоновой примеси (~1015 см"3) в процессе роста полуизолирующих GaAs слитков глубокими энергетическими центрами. Следствием этого являются высокий уровень генерационно-рекомбинационных шумов и значительность токов утечки барьерных контактов (до ЮОнА/ячейку). Это ухудшает порог чувствительности и создает значительные трудности при попытках использования данных детекторов для решения спектрометрических задач.
В попытках улучшить характеристики исходного полуизолирующего GaAs, часть исследователей (группы под руководством А.П. Воробьева - ИФВЭ, Протвино и Г.И. Айзенштата -НИИПП, Томск) использует технологически трудоемкий подход получения полуизолирующего GaAs материала, связанный с точной компенсацией хромом и его оксидами глубоких энергетических центров до норного типа (например, EL2).
Другой подход основан на процедурах геттерирования атомами иттербия примеси в полуизолирующем GaAs материале (группы под руководством А.Т. Гореленкова - ФТИ, С.Петербург и Э.А. Ильичева -НИИФП, Зеленоград), а также (в случае детектирования тяжелых частиц) на использовании эпитаксиального «чистого» GaAs материала (гр. Э.А.
Ильичева - НИИФП, Зеленоград и Ю.Н. Свешникова - ОАО Элма-Малахит, Зеленоград). В частности, в детекторных ячейках выполненных на основе эпитаксиальных чистых слоев GaAs (толщина слоя 30 мкм, концентрация фоновой примеси 1013 см"3) при детектировании а-частиц с энергией ~ 5 МэВ удается реализовать энергетическое разрешение — 15 кэВ и эквивалентные энергетические шумы < 9 кэВ, что практически соответствует предельным результатам, достигнутым на высокоомных специализированных кремниевых материалах (10 кэВ и 5 кэВ, соответственно). При этом по температурным характеристикам (область устойчивой работы 4...400К) GaAs детекторы на структурах, содержащих «чистые» арсенидгаллиевые слои, существенно превышают характеристики, достигнутые на компенсированных GaAs материалах и кремниевых аналогах (80...330К). Однако для регистрации частиц и квантов больших энергий требуются достаточно толстые (более 150...200 мкм) и «чистые» GaAs слои, что, даже при сегодняшнем уровне развития ростовых технологий в индустриально развитых странах мира технологически трудно выполнимо.
При детектировании частиц (квантов) более высоких энергий (более 10 ГэВ) в силу малых значений сечений их взаимодействия даже с полупроводниковыми материалами высокой плотности, возникают проблемы регистрации потоков малой плотности.
Целью настоящей работы является разработка на основе радиационно- и термостойких материалов (GaAs и алмаз) базовых функциональных структур для детектора ионизирующих излучений в составе умножителя потока электронов и собственно детектора.
Научная новизна работы
Результаты исследований и анализа процессов детектирования высокоэнергетических электронов и у-квантов детектором на основе полуизолирующего арсенида галлия, позволившие установить связь параметров детекторов с характеристиками материала.
Полевые и температурные зависимости проводимости в полуизолирующих слоях GaAs детекторного материала, объясняющие причины недопустимо высоких токов утечки и неоднородности рабочих характеристик детекторных ячеек в плоскости пластины.
Получены ранее неизвестные данные о влиянии иттербия на транспортные и спектрометрические характеристики полуизолирующего GaAs материала, геттерированного иттербием по технологии, разработанной в ФТИ им. Ф.А.Иоффе группой А.Т. Гореленка.
Физико-математическая модель процессов взаимодействия тяжелых заряженных частиц с материалом приемной области полупроводникового детектора ионизирующего излучения, учитывающая генерационно-рекомбинационные процессы в материале.
Конструкция детекторного модуля на основе базовых функциональных структур в составе умножителя потока электронов и собственно детектора.
Практическая ценность
Разработанная физико-математическая модель процессов взаимодействия тяжелых заряженных частиц с материалом приемной области полупроводникового детектора ионизирующих излучений в условиях наличия процессов рекомбинации, позволяет оптимизировать материал под задачи детектирования а-частиц.
Результаты исследований процессов детектирования электронов позволяют оптимизировать полуизолирующий материал и геометрию приемной области GaAs детектора для выполнения конкретных задач, связанных с детектированием высокоэнергетических электронов.
Исследование процессов геттерирования иттербием примеси в полуизолирующем GaAs материале позволяет на два порядка уменьшить токи утечки в детекторах резистивных и барьерных конструкций.
Исследования умножителей потока электронов на основе алмазных пленок позволили оптимизировать технологию их получения, структуру и геометрию.
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы были доложены на следующих конференциях:
XII Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2005», Москва, МИЭТ
XIII Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция
студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2006»,
Москва, МИЭТ
Всероссийская научно-техническая конференция «Новые материалы и технологии» - НМТ-2006, МАТИ им. К.Э. Циолковского
XIV Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция
студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2007»,
Москва, МИЭТ
Научная сессия МИФИ-2008
XV Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция
студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2008»,
Москва, МИЭТ
51-я научная конференция МФТИ, 2008
а также в выступлениях на семинарах в Гос. НИИФП им. Ф.В. Лукина
Публикации
По теме диссертационных исследований опубликовано 12 печатных работ, получено 1 авторское свидетельство, и 2 патента РФ.
Структура и объем диссертации
