Содержание диссертации.
ГЛАВА 1. Введение......................................................................3
1.1. Состояние проблемы. Актуальность проблемы.......................................3
1.2. Предлагаемые подходы к решению проблемы. Цели и задачи..........................8
1.3. Краткая характеристика работы..................................................10
ГЛАВА 11. Разработка материала для собственно детекторов на основе СзАб: спектрометрические исследования ГЭЦ в исходном и обработанном иттербием полуизолируюіцем арсеніте галлия; изучение характеристик взаимодействия а-частиц с твердотельными детекторами па основе полуизолирующего арсспида галлия.................13
2.1. Спектрометрические исследования глубоких энергетических центров в исходном и обработанном иттербием полу изолирую ідем арссниде галлия.........................13
2.2. Спектрометрические характеристики взаимодействия а-частиц с твердотельными детекторами на основе полуизолирующего арсенида галлия............................33
2.3. Физико-математическая модель процессов взаимодействия тяжелых заряженных частиц с материалом приемной области полупроводникового детектора, учитывающая генерационно-рекомбинационные процессы в БЮаАБ....................................50
ГЛАВА 111. Теоретический анализ процессов потерь энергии, сопровождающих детектирование высокоэнергетических электронов твердотельными детекторами на основе арсенида галлия.......................................................................66
3.1. Частицы больших энергий и характер их взаимодействия...........................66
3.2. Прохождение (3-лучей через вещество.......................................... 67
3.3. Прохождение у-излучения через вещество.........................................74
3.4. Исследование механизма транспорта неравновесных носителей при прохождении высокоэнергетических электронов через твердую среду...............................81
Глава IV. Экспериментальные исследования вторичной эмиссии электронов умножителями на основе микроструктурированных алмазных пленок......................................86
4.1. Базовые процессы технологического маршрута изготовления мембран на основе микроструктуурированных алмазных пленок...........................................87
4.2. Исследование вторичной электронной эмиссии в алмазных пленках..................88
Глава V. Анализ конструкции детекторного модуля.в составе замедлителя на основе вольфрама, умножителя потока электронов на основе микроструктурированных алмазных пленок и собственно детектор на основе БІ-СаАз.......................................103
4.1. Архитектура и назначение базовых функциональных структур детекторного модуля.... 103
4.2. Интеграция умножителя потока электронов и собственно детектора в одном кристалле........................................................................105
4.3. Пример реализации детекторного модуля для конкретного случая..................107
Заключение. Основные результаты и выводы.............................................120
Список литературы....................................................................121
2
ГЛАВА I. Введение.
1.1. Состояние проблемы. Актуальность проблемы.
Любопытство является основным мотивом, движущим ученого к новым открытиям и приближающим его к пониманию природы. Прогресс достигается путем тщательной формулировки вопросов к природе. Ответы на эти вопросы ищутся с помощью экспериментов, в которых используются самые разнообразные регистрирующие приборы. Наиболее доступными из них являются органы человеческих чувств, однако для ответа на современные вопросы эти естественные «средства» регистрации либо не обладают достаточной чувствительностью, либо их диапазон слишком ограничен. Это становится очевидным, если, например, проанализировать возможности человеческого глаза. Для зрительного восприятия света глазу требуется около 20 фотонов. В то же время фотоумножитель способен «видеть» один-единственный фотон. Динамический диапазон человеческою глаза составляет половину частотного разряда (длина волн от 400 до 800 нм), в то время как спектр электромагнитных волн от бытового тока радиоволн, микроволн, инфракрасного излучения, видимого свсга, ультрафиолетового, рентгеновского и гамма-излучения покрывает 23 разряда!
Таким образом, для получения ответов на множество вопросов возникла необходимость в разработке точных измерительных приборов, позволяющих получать объективные результаты в широком динамическом диапазоне амплитуд и частот. С их помощью человеку удалось не только обострит!, свои «чувства», но и «разработать» новые.
Ускоренное развитие различных технологий, замечаемое нами по их внедрению в производство и быт, основано, прежде всего, на достижениях в области фундаментальных исследований, углубляющих наши представления о свойствах материи. Ведущая роль здесь принадлежит исследованиям в области физики элементарных частиц и ядерноЙ физики. Впечатляющими открытиями последних лет в этих областях мы обязаны в основном исследованиям на крупнейших ускорителях элементарных частиц [1-5]. Чем больше энергия ускоренных частиц, тем на болсс глубоком энергетическом уровне и нанометровом масштабе мы можем проводить исследования, поскольку длина волны частицы уменьшается с ростом энергии. Это особенно может быть востребовано при диагностировании наноструктур, где по причине атомных размеров изучаемых объектов неприменимы традиоцианные методы исследования. Но вместе с тем, чем больше энергия, тем более сложными и масштабными
3
должны быть не только сами ускорители, но и экспериментальные установки - детекторы элементарных частиц.
Успехи в области экспериментальной физики всегда непосредственно тесно связаны с совершенствованием методов измерений. Для исследования микромира и структуры вселенной необходимо уметь регистрировать энергии в диапазоне от долей МэВ (фоновое излучение космических микроволн) до ~Ю20 эВ (космическое излучение высоких энергий). При упомянутых исследованиях физики используют ускорители частиц и приборы для регистрации продуктов столкновения элементарных частиц. Этими продуктами могут быть как массивные частицы, так и кванты электромагнитного излучения.
Физика высоких энергий встречает XXI век реализацией гигантского проекта Большого Адронного Коллайдера (LHC). Этот уникальный, не имеющий равных по масштабам и сложности, научный проект направлен на решение краеугольных проблем современной субъядерной физики. В настоящее время LIIC уже оборудован детекторами для начального периода работ!»!. Эти детекторы представляют собой гигантские комплексные установки. Каждый из них представляет собой комплекс различных типов детекторов [6]. В целом можно сказать, что большие детекторы крупнейших ускорителей мира включают все наиболее профессивное, что существует в методах регистрации элементарных частиц, их идентификации, измерении массы, энергии, импульса и других параметров.
Важно отмстить, что детекторы элементарных частиц широко используется не только при исследовании свойств самих элементарных частиц, но и в различных областях промышленности, науки и социальной сферы [7]. Например, сцинтилляторы - для нейтронного каротажа в нефтяной промышленности, пропорциональные счетчики - для рентгенофлуоресцентного анализа в горнодобывающей промышленности, где также используется сцинтилляционные и полупроводниковые детекторы при проведении нейтронноактивационного анализа. Техника изготовления зеркал, разработанная для сбора черепковского свсга, используется в энергетических установках для концентрации солнечного света. Изобретение многопроволочных пропорциональных камер и дрейфовых камер позволило значительно уменьшить радиационную дозу, получаемую пациентами при медицинской диагностике. В медицине, и в особенности в ядерной медицине, визуализирующие устройства обычно используются в том случае, если нужно определить геометрические размеры и функциональные характеристики внутренних органов, например, путем регистрации у-излучения от контрастных веществ (радионуклидов), введенных в организм человека. В геофизике возможен поиск минералов с помощью естественной и наведенной у
4
радиоактивности. При проведении космических экспериментов очень часто становится задача измерения солнечных и галактических частиц. В этой связи особая роль принадлежит сканированию радиационных поясов Земли (пояса Ван Аллена) при проведении пилотируемых космических экспедиций. Многие астрономические проблемы могут быть решены только с помощью экспериментов в космосе. В археологии измерение поглощения мюонов дает возможность исследовать структуры, доступ к которым другим способом невозможен. Например, при поиске полостей внутри египетских пирамид. В гражданском и подземном строительстве можно определить массу зданий, измеряя поглощение мюонов.
Сцинтилляционные счетчики произвели революцию в детектировании ядерных излучений и безраздельно господствовали до 60-х годов прошлого столетия [8]. Они и сейчас находят широкое применение во многих экспериментах и при решении многих производственных задач. В сущности, они представляют собой систему, состоящую из чувствительной среды (гпБ, Сс^, Ш1(Т1), и т.д. - чувствительная среда), соединенной с помощью световодов с фотоумножителем [9]. Фотоны, испускаемые возбужденными при взаимодействии частиц и квантов атомами среды, регистрируются фотоумножителем, пропорционально преобразуясь им в электрический сигнал. Пространственное разрешение сцинтилляционных счетчиков удовлетворительное. Чувствительность также высока (как правило, выбираются среды с высокой плотностью вещества). Однако, спектральное разрешение указанного типа детекторов, так же как и газонаполненных детекторов, неудовлетворительно.
Главное достоинство полупроводниковых детекторов (ППД) состоит в том, что средняя энергия, необходимая для образования электронно-дырочной пары, мала по сравнению с аналогичной в газах [10, 11]. Для кремния (германия, арсснида галлия) для образования электронно-дырочной пары необходимо 3.6 (2.8, 4.2 эВ), в то время как в газе эта составит приблизительно 30 эВ. Из-за малого значения IV твердотельные счетчики дают прекрасное энергетическое разрешение, при замечательном пространственном разрешении. ППД можно сравнить со сцинтилляционными счетчиками, в которых для рождения одного фотоэлектрона требуется энергия от 400 до 1000 эВ. Можно получить грубое представление об отношении энергетических разрешений для этих типов детекторов из следующей формулы
р.,,,(£)/-Е Ж ,л_г
СТ,(К)/Я л/Л'/Зэй
где Nия1 ад - число образовавшихся носителей заряда в твердотельном детекторе (системе сцинтиллятор-фотоумножитель). Энергетическое разрешение ППД обычно в 10^-50 раз выше,
5
чем у сцинтилляторов. Для того чтобы прекрасное разрешение ППД не было ухудшено, обработка сигналов от счетчиков требует использования малошумящих зарядочувствительных усилителей.
Германиевые, кремниевые и арсенидгаллиевые детекторы предпочтительнее используются для спектроскопии a-, ß- и у-лучей. Такие полупроводниковые счетчики характеризуются квантовыми переходами в диапазоне нескольких эВ. Разрешение по энергии может быть далее улучшено, если поглощение энергии происходит более мелкими порциями, как, например, при разрушении куперовских пар в с верх проводниках (12]. Однако в этом случае требуется криогеника с чрезвычайно низкими температурами.
Было бы чрезвычайно смело предполагать, что мы подошли к полному пониманию физическою мира: всегда будут появляться все новые эффекты и явления. Специалисты в области регистрации частиц будут стараться использовать их в качестве основы для развития новых детекторов частиц. По этой причине описание методов регистрации может иметь лишь характер моментальной фотографии. «Старые» детекторы «отомрут», а на передний план выйдут новые измерительные устройства. Время от времени может возникнуть ситуация, когда старый детектор, который, как считалось, вышел из употребления, может пережить своеобразную эпоху возрождения. Ярким примером этого может служить голографическое считывание в вершинно-пузырьковых камерах при реконструкции трехмерного события. Именно новый метод голографического считывания и стимулировал исследования в этом направлении.
1.1.2. Проблемы детектирования ионизирующих излучений.
Все полупроводниковые счетчики проявляют эффекты старения при больших радиационных нагрузках, что приводит к повышенному току утечки [13, 14]. Например, в типичном кремниевом мнкростриповом детекторе ток утечки возрастает в десять раз при дозе поглощения 1кГр (=100крад). Поэтому, кремниевые ППД с их чувствительными высокоиитегрированными предусилителями удается использовать при больших радиационных нагрузках лишь ограниченное время. Радиационностойкие детекторы требуются, например, для экспериментов на LHC (большой адронный коллайдер) или HERA (злектрон-протонное накопительное кольцо в DESY, Гамбург), а также для использования в технологических блоках с повышенной дозовой нагрузкой АЭС либо предприятий утилизирующих ядерные отходы [15].
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 «СетЬег» 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 дикзуют необходимость поиска альтернативных кремнию материалов с повышенной радиационной и термостойкостью. Так, новые ускорители с более высокой светимостью и скоростями счета требуют еще более быстрых детекторов, которые могут работать в жестких условиях высокой радиационной загрузки. Из спектра альтернативных материалов, уровнем наиболее высокой технологической освоенности выделяется арсенид галлия.
Анализ сравнительных предельных возможностей по отношению к радиационной стойкости интегральных схем на кремнии и арсениде галлия, позволяет сделать следующие заключения:
- при воздействии потоками нейтронов, преимущество арсенид галлиевых схем по отношению к схемам на кремнии незначительны (для приборов обоих материалов предельные дозы ~ 10l5urr/cM2);
- но стойкости к дозовым нагрузкам при облучении рентгеновскими и у-квантами, а также заряженными высокоэнергетическими частицами, схемы на арсениде галлия (105-106 Гр) превосходят кремниевые схемы (104Гр) ;
- при воздействии импульсных излучений, значения критической мощноеги дозы для арсенидгаллиевых схем (10^1 'p/о) имеет более высокую верхнюю границу, чем кремниевые ИС (5х107Гр/с);
- по стойкости к воздействию заряженных части, ИС на основе полевые GaAs транзисторов (~1013протонов/см2) превосходят кремниевые ИС на полевых транзисторах (~5х 10,2протонов/см2).
1.13. Альтернативные материалы.
Из представленного выше следует, что арсенид галлий имеет преимущества по сравнению с наиболее используемым материалом - кремнием:
1. высокая радиационная стойкость
2. высокое быстродействие
3. возможность оптического считывания информации с GaAs-детекторов.
7
Различными исследовательскими группами и коммерческими фирмами проводятся интенсивные разработки детекторов ионизирующих излучений на альтернативных кремнию материалах. Ниже, в табл.1 приведены сравнительные характеристики, достигну тые для ряда наиболее перспективных материалов [16-19].
Таблица 1. Сравнительные характеристики альтернативных детекторов.
Параметры Диапазон работы по мощности дозы гамма излучения, Р/час Энергетическое разрешение, (в диапазоне 0,5-3,0 МэВ), кэВ Средний уровень цен спектрометров на основе указанных детекторов, тыс. долл.
Бі и 0,01-1 25-30 5
(*)
йе Ьі 0,01-10 3-5 25
(♦♦)
С<1Те 0,01-10 10-20 15
(***)
5 -периферия на 81;
ваАя 0,01-10 Ожидаемые 10 -периферия на
(****) <10 СЗаАя.
(
***
Примечание: (*) - фирма Наташами (Япония), (**) - фирма Канбсрра-11аккард (США), ) - фирма СстЬсг, (****) - 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 неудовлетворител ьна.
1.2. Предлагаемые подходы к решению проблемы. Цели и задачи.
1.2.1. Датчики на основе арсенида галлия интенсивно разрабатываются и исследуются европейскими и российскими исследователями [20-24]. Эти работы пока находятся в стадии лабораторных разработок и испытаний, а предполагаемыми областями их использования считают физику высоких энергий, технологии производства и утилизация ядерных материалов, а также задачи связанные со спецвоздсйствиями.
1.2.2. На пути разработок детекторов на основе арсенида галлия встретился ряд принципиальных трудностей, резко ограничивающих их порог чувствительности и энергетическое разрешение (>10%). Связаны они с тем, что полуизолируюший арсснид галлия
8
изготавливается посредством компенсации фоновой примеси (~1015 см"3) глубокими энергетическими центрами в процессе роста ваАэ слитков. Следствием этого являются высокий уровень генерационно-рекомбинационных шумов и значительноегь токов утечки барьерных контактов (до ЮОнА/ячейку). Это ухудшает порог чувствительности и создает значительные трудности при попытках использования данных детекторов для решения спектрометрических задачах.
В попытках улучшить характеристики исходного пол у изолирующего ОаАз, часть исследователей (группы под руководством А. Воробьева - Протвино [25-27] и Г. Айзенштата -Томск [28-31]) использует технологически трудоемкий подход, связанный с точной компенсацией хромом и его оксидами глубоких энергетических центров донорного типа (например, НЬ2) в полуизолирующих СпАб подложках.
Другой подход основан на процедурах гетгерирования атомами иттербия примеси в полуизолирующем СаЛв материале (группы под руководством А. Горелснкова - ФТИ ('.Петербург и Э. Ильичева - НИИФП Зеленоград [32, 33]), а также (в случае детектирования тяжелых частиц) на использовании эпитаксиального «чистого» материала (гр. Э. Ильичева -НИИФП Зеленоград и Ю.Свешникова - ОАО Элма-Малахит Зеленоград [34]). В частности, в детекторных ячейках, выполненных на основе эпитаксиальных чистых слоев ваА.з (толщина слоя 30 мкм концентрация фоновой примеси 1013см'3), при детектировании а-частиц с энергией ~ 5 МэВ удается реализован, 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) О а Аз детекторы на структурах содержащих «чистые» арсенидгаллисвые слои существенно превышают характеристики, достигнутые на компенсированных СаАя материалах и кремниевых аналогах (80...330К). Однако для регистрации частиц и квантов больших энергий требуются достаточно толстые (более 150...200 мкм) и «чистые» ОаАя слои. Но даже при сегодняшнем уровне развития ростовых технологий в индустриально развитых странах мира эта задача технологически трудно выполнима.
Целью настоящей работы является разработка на основе радиационно- и термостойких материалов (ваАз и алмаз), базовых функциональных структур для детекторного модуля ионизирующих излучений в составе умножителя потока электронов и собственно детектора.
9
1.3. Краткая характеристика работы.
1.3.1. Настоящая работа состоит из Введения, четырех глав и Заключения.
В первой главе диссертации определены цели и предмет исследований, дан анализ состояния работ на момент начала исследований, очерчены проблемы, сформулирована цель и предложены пути ес достижения.
Во второй главе диссертации представлены результаты экспериментальных исследований электрофизических и спектральных характеристик разрабатываемых альтернативных детекторных материалов и детекторов на их основе. Здесь же представлена физико-математическая модель процессов взаимодействия тяжелых заряженных частиц с веществом приемной области полупроводникового детектора, учитывающая генерационно-рекомбинационные процессы в ЗІ-СаЛБ.
Третья глава диссертации посвящена теоретическому анализу различных видов потерь энергии, сопровождающих регистрацию высокоэнергетических электронов твердотельными детекторами на основе арсенида галлия. Здесь же представлен анализ процессов выноса из активной области детектора информативного заряда.
Четвертая глава диссертации посвящена исследованиям вторичной эмиссии электронов из алмазных пленок и по результатам исследований - оптимизации умножителей потоков электронов на основе микрострукгурированных алмазных пленок.
Пятая глава диссертации посвящена анализу конструкции многосекционного детекторного модуля, каждая из секций которого, по необходимости, может включать замедлитель на основе пластины из вольфрама, умножитель потока электронов на основе микрострукгурированных алмазных пленок, и собственно детектор на основе 81-ПаАь, фоновая примесь в котором гетгерирована иттербием. В результате анализа оптимизированы его основные узлы.
1.3.2. В результате исследований на защиту вынесены следующие Положения:
1. Физико-математическая модель, описывает взаимодействие альфа частиц с активной областью детектора и устанавливает связь выходного тока с определяющими параметрами материала и геометрией детектора; отличительной особенностью модели является учет генерационно-рекомбинационных процессов в активной области детектора.
2. Геттерирование примеси иттербием в полуизолирующем арсеииде галлия позволяет на 1,5-2 порядка уменьшить токи утечки объема полуизолирующего материала и барьерных контактов металл/81 баЛь.
10
- Київ+380960830922