Регистрация / Вход
Прислать материал

14.587.21.0003

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.587.21.0003
Тематическое направление
Науки о жизни
Исполнитель проекта
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет"
Название доклада
Разработка арсенид галлиевых сенсоров для матричных рентгеновских детекторов, использующихся в цифровой маммографии и макромолекулярной кристаллографии
Докладчик
Тяжев Антон Владимирович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Создание научно-технического задела в области исследовательского и медицинского оборудования, использующего интенсивные пучки рентгеновского излучения с энергией в диапазоне 15-60 кэВ путем исследование перспективности использования GaAs сенсоров для регистрации рентгеновского излучения системами цифровой маммографии и макромолекулярной кристаллографии.
Достижение поставленной цели, предполагает решение следующих задач:
- разработка технологии опытных образцов многоэлементных GaAs сенсоров, пригодных для последующей «флип-чип» сборки с микросхемами первичной электроники (ASIC) компании Дектрис (Швейцария);
- изготовление опытных образцов матричных, микрополосковых и единичных (pad) сенсоров;
- исследование влияния типа металлизации контактов и электрофизических характеристики GaAs:Cr материала на характеристики сенсоров;
- изготовление прототипов детекторов на основе матричных GaAs:Cr сенсоров и ASIC;
- исследование энергетического и пространственного разрешения, эффективности сбора заряда (CCE),
качества получаемого изображения и скорости счета детекторов на основе многоэлементных GaAs
сенсоров при работе с рентгеновским излучением в диапазоне энергий 15-60 кэВ;
- исследование способов улучшения характеристик детекторов за счет оптимизации характеристик
GaAs сенсоров.
Актуальность и новизна исследования
Актуальность и научная новизна работы обусловлена высокой светимостью существующих и проектируемых источников синхротронного рентгеновского излучения, например XFEL среднее значение светимости которого в области энергий 10 кэВ в 10 000 раз превышает аналогичный показатель существующих 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.
Предварительные исследования, проведенные 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.
Описание исследования

При выполнении проекта были разработаны и использованы следующие  методики и технологии:

- технология изготовления высокоомных арсенид галлиевых (GaAs:Cr) детекторных структур на пластинах диаметром 3 и 4 дюйма;

- технология изготовления многоэлементных сенсоров ионизирующего излучения на основе  GaAs:Cr детекторных структур диаметром 3 и 4 дюйма;

- методика измерения вольт-амперных характеристик GaAs:Cr детекторных структур;

- бесконтактная методика контроля структурного совершенства пластин GaAs:Cr  и исходного арсенида галлия с проводимостью n типа (n-GaAs);

- бесконтактная методика контроля распределения концентрации носителей заряда по пластинам  n-GaAs;

- бесконтактная методика контроля распределения удельного сопротивления по пластинам GaAs:Cr;

- методика контроля шероховатости поверхности полированных пластин GaAs:Cr и n-GaAs с использованием атомно-силового микроскопа;

- методика контроля распределения напряженности электрического поля в детекторных структурах на основе эффекта Поккельса;

- методика контроля времени жизни неравновесных носителей заряда на основе анализа амплитудного спектра GaAs:Cr сенсоров при воздействии гамма-квантов с энергией 60 кэВ;

- методика контроля фоточувствительности  GaAs:Cr сенсоров при воздействии рентгеновского излучения с энергией в диапазоне 17-140 кэВ;

- методика расчета эффективности сбора заряда GaAs:Cr сенсоров при воздействии гамма-квантов с энергией 60 кэВ;

- методика расчета амплитудного спектра GaAs:Cr сенсоров при воздействии гамма-квантов с энергией 60 кэВ;

- методика расчета вольт-амперных характеристик GaAs:Cr сенсоров;

-  методика расчета фоточувствительности  GaAs:Cr сенсоров при воздействии рентгеновского излучения с энергией в диапазоне 17-140 кэВ;

Результаты исследования

Проведена проработка и обоснование вариантов технических решений по созданию многоэлементных сенсоров на основе арсенида галлия, компенсированного хромом, обеспечивающих последующую сборку и работу с бескорпусными микросхемами специализированной электроники.

Сформулированы требования к конструкции и электрофизическим характеристикам высокоомных GaAs<Cr> структур на основе пластин диаметром 3 и 4 дюйма. Показано, что пластины должны обладать удельным сопротивлением не менее 500 Мом×см, произведением подвижности на время жизни электронов не менее 3×10-5 см2/В. Подготовлен перечень технологического оборудования и процесса для изготовления детекторного материала на пластинах арсенида галлия диаметром 3 и 4 дюйма;

Разработано техническое предложение на матричный арсенид галлиевый сенсор с активной площадью до 50×50 кв.мм с шагом пикселов 75 и 172 мкм;

Исследованы закономерности распределения темнового тока и скорости счета фотонов по площади матричных GaAs<Cr> сенсоров в зависимости от электрофизических характеристик высокоомного GaAs<Cr> материала. Предложены физические модели, определяющие вольт-амперные характеристики и профили распределения напряжённости электрического поля для GaAs<Cr> структур и сенсоров.

Изготовлена опытная партии детекторных структур в виде пластин диаметром 3 и 4 дюйма при толщине 500- 900 мкм;

Экспериментально показано, что среднее значение удельного сопротивления детекторных GaAs структур толщиной 500 - 900 мкм составляет 0.97 +/- 0.12 ГОм×см

Разработаны базовые технологические маршруты и изготовлены матричные арсенид галлиевые сенсоры (GaAs<Cr>) с активной площадью до 52×52 кв.мм с шагом пикселов 75 и 172 мкм;

Изготовлены и проведены испытания сборок GaAs<Cr> матричных сенсоров толщиной 500 мкм со специализированными микросхемами, работающими в режиме счета квантов.

Показано, что пространственное разрешение сборок GaAs<Cr> матричных сенсоров близко к шагу пикселов.

Установлено, что скорость счета квантов сборок GaAs<Cr> матричных сенсоров толщиной 500 мкм достигает 1 МГц/пиксел, при комнатной температуре энергетическое разрешение на линии 60 кэВ составляет 3 кэВ, радиационная стойкость сенсоров не менее 300 Мрад при облучении квантами с энергией 12 кэВ.

Практическая значимость исследования
Основным результатом проекта являются научно-технические основы технологии создания полупроводниковых многоэлементных GaAs сенсоров с большой активной площадью и работающих в режиме счета квантов. Сенсоры предназначены для работы в 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.
Потенциальными потребителями результатов проекта являются международные научные центры синхротронного излучения и физики высоких энергий:
- Центр Европейских ядерных исследований, CERN, Женева, Швейцария;
- Немецкий Синхротронный Центр, DESY, Гамбург, Германия;
- Лазер на свободных электронах, XFEL, Гамбург, Германия;
- Лаборатория Резерфорда, RAL, Оксфорд, Великобритания;
- Брукхейвенская Национальная Лаборатория, BNL, Лонг-Айленд, США;
- Европейский Синхротронный Центр, ESRF, Гренобль, Франция;
- Институт тяжёлых ионов, GSI, Дармштадт, Германия;
- Нидерландский Институт Физики Высоких Энергий, NIKHEF, Амстердам, Нидерланды;
- Объединённый Институт Ядерных Исследований, ОИЯИ, Дубна, Россия.
Кроме того, результаты проекта будут востребованы частными высокотехнологичными компаниями:
- "Dectris Ltd.", Швейцария;
- "ImXPAD LLC", Франция;
- "XCounter Ltd.", Швеция;
- "AJAT Ltd.", Финляндия;
- "Phillips Ltd.", Нидерланды;
- "Siemens Ltd.", Германия;
- "Samsung Ltd.", Корея;