Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка арсенид галлиевых сенсоров для матричных рентгеновских детекторов, использующихся в цифровой маммографии и макромолекулярной кристаллографии

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
цифровая маммография, рентгеновское излучение, полупроводниковые сенсоры, матричные детекторы, режим счёта квантов, арсенид галлия, дифрактометрия

Цель проекта:
1. Основным физическим методом, используемым в исследованиях структуры и фазового состава различных веществ, является дифракция рентгеновских лучей на регулярных структурах, в частности на молекулярных кристаллах и молекулах различных белков. Существует два способа картины реализации эксперимента: исследование малоуглового (SAXS) и широкоуглового (WAXS) рассеяния. Задача надежной регистрации рентгеновского излучения усложняется тем, что уменьшение размеров исследуемых структур неизбежно требует соответствующего уменьшения длины волны рентгеновского излучения и увеличения интенсивности рентгеновских источников. В настоящее время наибольшее распространение получили системы регистрации двух типов: - на основе комбинированных детекторов «сцинтиллятор + матричный ПЗС приемник»; - на основе кремниевых матричных детекторов, работающих в режиме счета квантов. Указанные системы обладают рядом существенных недостатков, которые ограничивают возможности их применения в современных исследованиях сложных белковых молекул и кристаллов. Использование сенсоров на основе структур «сцинтиллятор + матричный ПЗС приемник» не позволяют получить высокого быстродействия ввиду ограничений по скорости считывания данных из ПЗС матрицы. Кроме того, существуют фундаментальные противоречия между необходимостью увеличения эффективности регистрации излучения и ухудшением пространственного разрешения за счет увеличения толщины сцинтиллятора. Кремниевые матричные детекторы, работающих в режиме счета квантов детекторах с прямым преобразованием энергии квантов в электрический сигнал, обеспечивают пространственное разрешение близкое к размеру чувствительного элемента, но не обладают требуемой эффективностью регистрации в диапазоне энергий выше 15 кэВ. Другим важным фактором, стимулирующим работы в области создания новых высокоэффективных матричных сенсоров рентгеновского излучения в диапазоне энергий 15-60 кэВ, является разработка матричных детекторов для экспериментов на имеющихся и перспективных XFEL источниках синхротронного рентгеновского излучения. Актуальность и научная новизна работы обусловлена высокой светимостью XFEL, среднее значение которой в области энергий 10 кэВ в 10 000 раз превышает аналогичный показатель современных источников рентгеновского излучения. В связи с этим значительно повышаются требования к эффективности регистрации излучения и радиационной стойкости детекторов, а также к их способности работать при высокой интенсивности падающего излучения. Существующие кремниевые сенсоры толщиной 500 мкм обеспечивают поглощение не более 60% в диапазоне рабочих энергий рентгеновских квантов XFEL. Вследствие этого, специализированные микросхемы первичной электроники (ASIC), расположенные непосредственно под сенсорами, подвергаются значительному радиационному воздействию, что приводит к деградации их характеристик и, следовательно, к ухудшению параметров всего детектора в целом. Сенсоры на основе CdTe и CdZnTe свободны от этого недостатка, но наличие значительных поляризационных эффектов при работе с большими потоками ионизирующего излучения, также ставит под сомнение перспективность их использования в составе системы регистрации рентгеновского излучения XFEL. Требования к техническим характеристикам перспективных матричных рентгеновских детекторов, использующихся в макромолекулярной кристаллографии и дифрактометрии идентичны аналогичным требованиям к перспективным рентгеновским детекторам для цифровой маммографии. Выявление ранней стадии рака молочной железы - соединений кальция, размером до 150 мкм, позволяет надёжно вылечить пациенток без хирургического вмешательства. Снижение заболеваемости напрямую связано с регулярным обследованием с применением цифрового рентгеновского маммографа (ЦРМ). Все существующие на данный момент маммографы можно поделить на два класса: аналоговые (плёночные) и цифровые. ЦРМ имеет значительные преимущества в сравнении с плёночным: -снижение дозовой нагрузки на пациента; -моментальное получение изображения; -больший динамический диапазоном (1600:1 против 100:1 у пленки). Цифровая маммография является более информативной, поскольку увеличивает контраст в тканях груди. Решение проблемы снижения лучевой нагрузки при одновременном увеличении контраста и пространственного разрешения ЦРМ связано с использованием высокоэффективных полупроводниковых детекторов на основе материалов с большим значением эффективного атомного номера, например арсенид галлия, и имеющих высокую квантовую эффективность преобразования. Кроме того, важной особенностью перспективных маммографов является возможность работы в энергетических «окнах», что позволяет повысить выявляемость слабоконтрастных объектов. Наиболее полное соответствие основным тенденциям развития современных детекторов рентгеновского излучения для цифровой маммографии и макромолекулярной кристаллографии имеют характеристики матричных полупроводниковых сенсоров на основе арсенида галлия, компенсированного хромом, работающих в режиме прямого счета единичных квантов. По совокупности таких критериев, как: отсутствие «мертвого слоя» на поверхности сенсора, высокие времена жизни неравновесных носителей заряда, высокая эффективность поглощения квантов с энергией до 60 кэВ, возможность получения толщины чувствительного слоя до 1 мм, высокая радиационная стойкость, отсутствие долговременной поляризации, возможность работы при комнатной температуре, высокое быстродействие, возможность изготовления монолитных сенсоров размером до 52*52 мм2 и технологичность,- сенсоры являются наиболее перспективными для использования в современных системах регистрации рентгеновского излучения. Детекторные структуры на основе GaAs, производимого в ТГУ (г.Томск), обладают удельным сопротивлением до 109 Ом•см и дрейфовой длиной неравновесных электронов до 1 см. Предварительные исследования, проведенные заявителями проекта совместно с зарубежными коллегами, показали перспективность использования сенсоров на основе GaAs для создания радиационно-стойких и быстродействующих детекторов для цифровых систем регистрации рентгеновского излучения в диапазоне энергий 15 – 60 кэВ. 2. Создание научно-технического задела в области исследовательского и медицинского оборудования, использующего интенсивные пучки рентгеновского излучения с энергией в диапазоне 15-60кэВ путем исследование перспективности использования GaAs сенсоров для регистрации рентгеновского излучения системами цифровой маммографии и макромолекулярной кристаллографии.

Основные планируемые результаты проекта:
1. Краткое описание основных научных результатов:
- Разработаны и изготовлены GaAs<Cr> матричные сенсоры с шагом 120-180 мкм и толщиной чувствительного слоя в диапазоне 500-900 мкм на основе GaAs<Cr> пластин диаметром 3 дюйма;
- Выявлены закономерности распределения удельного сопротивления и эффективности сбора заряда в GaAs<Cr> матричных сенсорах в зависимости от электрофизических характеристик пластин исходного арсенида галлия;
- Выявлены закономерности распределения темнового тока и скорости счета фотонов по площади матричных GaAs<Cr> сенсоров в зависимости от электрофизических характеристик высокоомного GaAs<Cr> материала;
- Разработаны требования к электрофизическим характеристикам пластин исходного низкоомного арсенида галлия, используемым в дальнейшем в технологии изготовления высокоомных GaAs<Cr> пластин диаметром 3 дюйма и толщиной чувствительного слоя в диапазоне 500-900 мкм;
- Разработан лабораторный технологический маршрут изготовления GaAs<Cr> пластин диаметром 3 дюйма, с удельным сопротивлением > 0,5 ГОм*см и толщиной чувствительного слоя в диапазоне 500-900 мкм;
- Разработан лабораторный технологический маршрут изготовления матричных GaAs<Cr> Pilatus сенсоров на основе пластин диаметром 3 дюйма и толщиной чувствительного слоя в диапазоне 500-900 мкм;
- Разработан лабораторный технологический маршрут изготовления матричных GaAs<Cr> Eiger сенсоров на основе пластин диаметром 3 дюйма и толщиной чувствительного слоя в диапазоне 500-900 мкм;
- Разработан лабораторный технологический маршрут изготовления микрополосковых GaAs<Cr> Mython сенсоров на основе пластин диаметром 3 дюйма и толщиной чувствительного слоя в диапазоне 500-900 мкм;
- Исследованы характеристики прототипов матричных детекторов на основе GaAs<Cr> Pilatus сенсоров;
- Исследованы характеристики прототипов матричных детекторов на основе GaAs<Cr> Eiger сенсоров;
- Исследованы характеристики прототипов микрополосковых детекторов на основе GaAs<Cr> Mython сенсоров;
- Разработан план мероприятий по улучшению технологии многоэлементных GaAs<Cr> сенсоров на основе GaAs<Cr> пластин диаметром 3 дюйма и толщиной чувствительного слоя в диапазоне 500-900 мкм;
- Построены физические модели, определяющие вольт-амперные характеристики и профили распределения напряжённости электрического поля структур и сенсоров на основе GaAs<Cr> пластин диаметром 3 дюйма и толщиной чувствительного слоя в диапазоне 500-900 мкм;
- Получены и проанализированы экспериментальные данные о пространственной и энергетической разрешающей способности, контрастности и динамическом диапазоне прототипов рентгеновских детекторов на основе многоэлементных GaAs<Cr> сенсоров.
2. Основные характеристики разработанной при выполнении ПНИ научно-технической продукции.
Матричные арсенид галлиевые сенсоры работают в режиме прямого счета единичных рентгеновских квантов и обладают следующими основными характеристиками:
- минимальный размер единичного матричного сенсора 10.3*16.7 мм2.
- максимальный размер единичного матричного сенсора 82.4*33.4 мм2.
- максимальный размер нерабочей области по периметру детекторной сборки – 200 мкм.
- размер элемента матрицы (160*160) мкм2.
- минимальное число каналов в единичном матричном сенсоре 5820.
- максимальное число каналов в единичном матричном сенсоре 93120.
- координатное разрешение детекторной сборки – не хуже 200 мкм.
- эффективность сборки (количество неработающих каналов) не более 1%.
- Рабочее напряжение смещения, от 50 до 500 В.
- Суммарный темновой ток сенсора площадью 10.3*16.7 мм2 (при Т=300К, U=300В ), не более 0.1 мА.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
1. Конечным продуктом, создаваемым с использованием результатов, планируемых при выполнении проекта являются базовые технологии создания полупроводниковых многоэлементных GaAs<Cr> сенсоров с большой активной площадью и работающих в режиме прямого счета единичных квантов рентгеновского и гамма излучений. Возможность создания таких сенсоров нового поколения обусловлена решением чрезвычайно сложных материаловедческих задач прецизионной модификации фундаментальных свойств полупроводников. Ключевыми особенностями создаваемых GaAs<Cr> структур, являются высокое значение дрейфовой длины электронов (>1 см), хорошая однородность электрофизических свойств и высокое удельное сопротивление (> 0,5 ГОм*см).
2. Технологии GaAs<Cr> структур и матричных сенсоров на их основе являются оригинальной и охраняются приказами ректора ТГУ в режиме "ноу-хау". Новизна заключается в технологии прецизионного легирования промышленного GaAs примесями с глубокими уровнями (Cr), позволяющей управлять свойствами и характеристиками материала, полупроводниковых структур и монолитных интегральных схем (МИС) на его основе.
3. Аналогов технологии GaAs<Cr> структур и МИС матричных сенсоров в мире нет.
4. Исполнители являются признанными лидерами в мире в области создания МИС матричных сенсоров изображения.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1. Сенсоры предназначены для работы с составе систем регистрации и формирования цифрового рентгеновского изображения в цифровой маммографии и макромолекулярной кристаллографии. Разрабатываемые сенсоры позволят значительно улучшить методы рентген диагностики объектов, в которых учитываются возможности идентификации материалов по спектрам их поглощения. Разделение цифрового изображения объектов по энергетическим областям обеспечит в едином снимке наблюдение участков с различной плотностью (сосуды, мягкие ткани, малоконтрастные объекты), а также эффективно использовать возможности таких систем в фармакологии, наноиндустрии, геологии, компьютерной томографии.
2. Синхротронное излучение высокой интенсивности (СИ) в последнее время стало важнейшим универсальным инструментом исследования свойств материи, звёзд, строения Земли, ископаемых артефактов, биомедицинских исследований молекул, вирусов, при создании веществ с новыми свойствами. При высокой энергии фотонов рентгеновского излучения в современных пучках, спрос на полупроводниковый высокоэффективный детекторный материал с высоким атомным номером Z стремительно растет в течение последних трех лет. Наиболее перспективными полупроводниковыми материалами для этого диапазона энергий рентгеновских лучей являются GaAs и Cd(Zn)Te. Арсенид галлия по потребительским и технологическим свойствам и соотношению цена/качество значительно превосходит развиваемое в мире направление Cd(Zn)Te сенсоров.
3. Прогресс в технологии GaAs детекторного качества позволил ТГУ разработать не имеющую мировых аналогов технологию HR-GaAs<Cr> полупроводниковых структур, выйти в мировые лидеры по созданию матричных детекторов для синхротронных центров нового поколения и открыть новые возможности для проведения научных экспериментов в ведущих научных центрах мира в области регистрации синхротронного излучения.
4. Объединение в линейку GaAs<Cr> матричных детекторов является революцией в области регистрации единичных фотонов синхротронного излучения и источников на свободных электронах (XFEL). Уже сейчас общепринято, что томские GaAs<Cr> сенсоры являются детекторами будущего, обуславливая несколько порядков улучшения характеристик в сравнении с существующими детекторами. В коллаборации с ведущими учёными в мире в области экспериментов на коллайдерах (LHC, ILC и др.) и с синхротронным излучением (DESY, ESRF, PSI, RAL, BNL, JINP и др.) в ТГУ ведутся разработки матричных детекторов большой площади с числом элементов до 1 миллиона пикселей, что позволит России занять лидирующее положение на рынке в области создания и производства полупроводниковых матричных детекторов для цифровых систем изображения научного, медицинского и промышленного назначения.

Текущие результаты проекта:
Получены закономерности и выработаны требования к электрофизическим характеристикам пластин исходного арсенида галлия, используемым в технологии изготовления высокоомных GaAs<Cr> структур диаметром 3 дюйма. Установлены закономерности распределения удельного сопротивления и эффективности сбора заряда в GaAs<Cr> матричных сенсорах в зависимости от электрофизических характеристик пластин исходного низкоомного арсенида галлия. Выявлены закономерности распределения темнового тока и скорости счета фотонов по площади матричных GaAs<Cr> сенсоров в зависимости от электрофизических характеристик высокоомного GaAs<Cr> материала. Построены физические модели, определяющие вольт-амперные характеристики и профили распределения напряжённости электрического поля для структур и сенсоров на основе GaAs<Cr> пластин диаметром 3 дюйма. Разработаны конструкции вариантов сенсоров, совместимых с топологией специализированных микросхем первичной электроники “Pilatus”, “Mythen”, “Eiger”. Разработаны программа и методика испытаний характеристик детекторных структур. Разработан лабораторный технологический маршрут изготовления детекторного материала на пластинах GaAs диаметром 3 дюйма. Изготовлен, исследован и протестирован с получением реального изображения прототип детектора на основе матричного GaAs<Cr> сенсора толщиной 500 мкм с Ni контактами и специализированных микросхем Pilatus. Разработаны и апробированы лабораторные технологические маршруты изготовления GaAs<Cr> пластин диаметром 3 дюйма и толщиной чувствительного слоя до 900 мкм и матричных GaAs<Cr> Pilatus сенсоров, матричных GaAs<Cr> Eiger сенсоров и микрополосковых GaAs<Cr> Mythеn сенсоров на основе этих структур.
Проведены тестовые испытания прототипа детектора на основе микрополосковых GaAs<Cr> сенсоров с Ni контактами и специализированных микросхем Mythеn.