14.618.21.0001

Создание гибридных пиксельных детекторов большой площади на основе сенсоров из модифицированного арсенида галлия GaAs:Cr и микросхем считывания Medipix3RX для источников синхротронного излучения и источников нейтронов (GALAPAD-2). Основной целью предлагаемого проекта является создание гибридного пиксельного детектора общей площадью 85х28 мм2 с минимальной нерабочей зоной по краям. При этом вклад ОИЯИ состоит в разработке технологии производства пластин детекторного GaAs большого диаметра (совместно с ТГУ), создании методики тестирования и измерения их свойств с использованием имеющегося в ОИЯИ арсенала средств (тестовая рентгеновская станция, источник протонов и дейтронов ЭГ-5 на основе генератора Ван- дер-Граафа, источник нейтронов ИБР-2), проверке работоспособности собранных гибридных детекторов, калибровке и измерении их характеристик. Немецкая сторона обеспечивает сборку детекторов и разработку блока электроники считывания.

ОИЯИ имеет многолетний (с 2008 года) опыт разработки и исследования детекторов из GaAs:Cr, совместно с ТГУ (Томск) - производителем детекторного материала. По инициативе ОИЯИ в сотрудничестве с ЦЕРН (Женева) был впервые в мире создан гибридный пиксельный детектор с сенсором из GaAs:Cr и микросхемой Medipix2. Основными проблемами ОИЯИ при создании подобных детекторов является отсутствие в РФ технологии сборки гибридных детекторов и свободного доступа к микросхемам считывания.
Партнеры ОИЯИ из Германии, наоборот, имеют богатый опыт сборки таких детекторов и доступ к микросхемам Medipix. В 2010-2013 был реализован совместный проект GALAPAD по созданию пиксельных детекторов большой площади с сенсором из GaAs:Cr и шестью микросхемами считывания Medipix2 (модуль HEXA).

Фундаментальные и прикладные исследования методами рентгенографии, малоуглового рентгеновского рассеяния и дифракционной когерентной рентгеновской микроскопии на источниках синхротронного излучения, а также аналогичными методами на источниках нейтронного излучения имеют огромное научное и народно-хозяйственное значение. Они применяются в материаловедении, в физике, геологии, химии, биологии, медицине.
В сравнении с детекторами, используемыми в настоящее время на источниках синхротронного и нейтронного излучения в РФ (сцинтилляторами, ПЗС-матрицами и газоразрядными проволочными камерами), предлагаемые гибридные пиксельные детекторы на основе модифицированного арсенида галлия (GaAs :Cr) и микросхемы Medipix3RX обладают рядом существенных преимуществ: более высокое (30 мкм) пространственное разрешение, гораздо более низкий уровень шума, высокое быстродействие, повышенную радиационную стойкость и возможность измерения энергии отдельного фотона.

В ходе проведения работ по теме создания гибридных пиксельных детекторов большой площади были выполнены аналитический обзор современной научно-технической и методической литературы и патентные исследования в области полупроводниковых пиксельных детекторов большой площади и методов обработки края полупроводникового сенсора с целью уменьшения зоны нечувствительности. Был разработан набор технической и конструкторской документации на испытательный стенд на основе зондовой станции для определения основных электрофизических характеристик полупроводниковых материалов, было переоборудовано чистое помещение для установки стенда. Разработанные технические требования на стенд для изучения свойств полупроводниковых материалов позволили заключить договор о поставке зондовой станции MPS150 производства фирмы Cascade Microtech - основного элемента указанного стенда. Было разработано техническое задание на сенсорные пластины диаметром 76 мм из модифицированного арсенида галлия GaAs:Cr. Был создан и сдан в эксплуатацию испытательный стенд на основе зондовой станции для изучения свойств полупроводниковых материалов, были разработаны программы и методики экспериментальных исследований их вольт-амперных и вольт-фарадных характеристик. На созданном стенде были протестированы пластины диаметром 76 мм (типоразмера HEXA) из модифицированного арсенида галлия, произведённые соисполнителем проекта, и их характеристики были признаны удовлетворяющими условия технического задания. С учетом этих данных было разработано техническое задание (спецификация на фотолитографию и металлизацию) на сенсорные пластины диаметром 76 мм из GaAs:Cr. Были изготовлены сенсорные пластины диаметром 76 мм (по одному сенсору типоразмера HEXA на каждой пластине) из ранее изготовленных монолитных пластин из GaAs:Cr. Эти сенсорные пластины были протестированы в ОИЯИ и их электрофизические характеристики измерены на испытательном стенде для изучения свойств полупроводниковых материалов. 

Проект не завершен и утвержден до конца 2017г.

1. Изготовление монолитных пластин диаметром 102 мм из модифицированного арсенида галлия GaAs:Cr.

            В отличие от технологии изготовления пластин из арсенида галлия диаметром 76 мм (3-х дюймовых), которая уже достаточно отработана соисполнителем проекта - Томским государственным университетом, изготовление 4-х дюймовых (102 мм) пластин из арсенида галлия является новым шагом для российского технологического комплекса. В рамках текущего проекта соисполнитель (ТГУ) не только провел обновление своей технологической линии по резке слитков из арсенида галлия на пластины, но и вместе со своим поставщиком добились производства арсенид-галлиевых слитков большого диаметра нужной чистоты и однородности. В итоге весной 2016г.  была изготовлена и поставлена в ОИЯИ партия сенсорных платин из  GaAs:Cr диаметром 102мм. На рисунке 1 представлена фотография образцов полученных монолитных пластин в транспортировочных упаковках.

После распаковки в чистом помещении, все монолитные пластины были тщательно осмотрены под микроскопом на предмет наличия механических повреждений. 

2. Измерение вольт-амперных характеристик сенсорных пластин

Были разработаны методики определения основных электрофизических параметров монолитных пластин, путём измерения их вольт-амперных характеристик на измерительном стенде, и програмное обеспечение для таких измерений. При измерении монолитных пластин диаметром 102 мм вольт-амперные характеристики пластин снимались в шести точках (рис. 2). Снятие одной ВАХ занимало по времени около 3-х минут, на измерение одной пластины уходило около получаса. 

Для пластин из модифицированного арсенида галлия рабочей частью V-I кривой является нижняя ветвь, поскольку они обладают электронной проводимостью и рабочее напряжение смещения имеет отрицательную полярность. Фитируя нижнюю ветвь вольт-амперной характеристики прямой линией, мы находим электрическое сопротивление пластины в месте касания иглы зонда. На рисунке 3 приведен пример вольт-амперных характеристик снятых с одной из монолитных пластин диаметром 102 мм.

 В таблице  приведены усреднённые по шести точкам значения электрического сопротивления для первых 10 монолитной пластины, а также усреднённые значения плотности темнового тока. Эти физические величины являются основными контрольными параметрами качества пластин. Все произведённые соисполнителем проекта пластины удовлетворяют требованиям технического задания.

Таблица 1 – Пример измеренные значения электрофизических характеристик пластин диаметром 102 мм GaAs:Cr

 

№ пластины	Среднее значение удельного сопротивления, ГОм×см	Плотность темнового тока, нА/мм2
1	0.97	7
2	1.02	4
3	1.18	5
4	0.87	6
5	0.85	7
6	1.18	7
7	0.81	7
8	0.82	7
9	0.85	6
10	1.15	5

 

3. Разработка технического задания на сенсорные пластины диаметром 102 мм из модифицированного арсенида галлия GaAs:Cr

Была разработана спецификация на металлизацию сенсорных пластин диаметром 102 мм из модифицированного арсенида галлия, описывающая толщину и последовательность нанесения слоев никеля, ванадия, меди, алюминия и окиси кремния на пластину из GaAs:Cr, необходимую для создания надёжного электрического контакта между сенсором и микросхемами считывания Medipix3RX. Было разработано несколько вариантов фотошаблонов Рис.4

4. Сравнение с мировыми данными.

Монолитные пластины 102мм из  GaAs:Cr удовлетворяющие требованиям к качеству сенсоров для  матричных детекторов частиц были получены впервые в мире.

Обосновано сказать об этом можно будет к концу 2017г. ближе к завершению работ по проекту.