ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введенииобоснована актуальность темы, сформулированы цель исследований и основные задачи работы. Показаны научная новизна и практическая значимость полученных результатов, методология и методы исследования.

на защиту, приведены сведения об апробации работы, публикациях по теме диссертации, личном вкладе автора, структуре и объёме работы.

В первой главеприведен литературный обзор по теме диссертации. Рассматриваются области применения, технологии изготовления и современные требования к качеству кристаллов теллурида кадмия, необходимость улучшения их характеристик в зависимости от направлений использования. Описан общий подход к экспериментальному исследованию и теоретической интерпретации электрофизических свойств. Указана необходимость увеличения размеров монокристаллов, улучшения их однородности и увеличения времени жизни носителей заряда.

Во второй главеприведены используемые в работе методы исследования электрофизических характеристик монокристаллов теллурида кадмия: транспортных характеристик, подвижности носителей заряда, параметров уровней захвата, удельного сопротивления, определения объёмной и поверхностной составляющих токов утечки, фотопроводимости, распределения электрического поля в кристалле, уровней и ловушек захвата и рекомбинации. Определены основные требования предъявляемые к методам исследования параметров кристаллов. Рассмотрены методы определения подвижности с помощью время пролётной техники, ТРСГУ. Для экспериментальных исследований, основанных на приведенных методах изучения электрофизических характеристик, представлены приборы и оборудование.

В третьей главепредставлена разработанная математическая модель процесса сбора заряда и формирования амплитудного спектра в детекторах ионизирующих излучений при облучении гамма-квантами. Рассмотрены процессы поглощения излучения в материале детектора, фотоэлектрический эффект, комптоновское рассеяние, образование электрон-позитронной пары, ионизационные потери, сбор индуцированного заряда.

Расчет амплитудного спектра гамма спектрометра проводили с учетом следующих физических процессов: поглощение гамма-излучения и образование неравновесных носителей заряда в материале детектора; сбор образованного заряда в детекторе с учетом реального распределения электрического поля в объеме и формирование зарядового импульса; учет расширения спектра вследствие шумового вклада, вносимого спектрометрическим трактом вместе с детектором, статистической

флуктуации числа образуемых носителей и влияния неоднородного сбора носителей.

Осуществлено сравнение смоделированных спектров гамма- излучения с экспериментальными данными. Полученные результаты по расчету отклика детектора на основе кристалла CdTe показаны на рисунке 1а, а на рисунке 16 - сравнительные результаты по детектору на кристалле CdZnTe.

Рисунок 1. Отклик планарного детектора при облучении источником гамма- излучения ¹³³Ba: а - на основе CdTe; б- на основе CdZnTe

Результаты сравнения аппаратурных спектров гамма-излучения, полученные с помощью статистического моделирования, с экспериментальными данными, полученными при измерении характеристик детектирующих структур показали адекватность принятой модели физических процессов, описывающих поглощение энергии гамма- квантов и транспорт носителей заряда.

В четвертой главепредставлены результаты исследования электрофизических характеристик детектирующих структур на основе CdTenCdZnTe.

В работе предложен и апробирован комплексный подход определения параметров монокристаллов CdTe и CdZnTe, включающий: разработку методики изготовления детектирующих структур для измерений на основе кристаллов и разработку комплексной методики исследования характеристик монокристаллов.

Исследования были выполнены для определения следующих характеристик кристаллов:

- электропроводность материала, BAX детекторов;

- подвижность носителей с помощью время-пролетной методики;

- эффективность сбора носителей CCE и измерение параметра μτ для электронов и дырок;

- спектральные характеристики фотопроводимости в диапазоне длин волн 400-1800 нм;

- зависимости фотопроводимости от напряжения.

Для разработки комплексной методики исследования по изучению электрофизических параметров использован монокристаллический CdTe и CdZnTe зарубежного и отечественного производства (ОАО «Гиредмет», ЗАО «Crystals Nord» (Россия), «Redlen Technologies Inc.» (Канада) и «Acrorad» (Япония)).

В работе представлена разработанная методика изготовления детектирующих структур, включающая основные технологические приёмы и конструктивные особенности создания на кристаллах теллурида кадмия детекторов ионизирующих излучений разных диапазонов: мягкого рентгеновского и жёсткого гамма-излучения. Из исходного кристалла вырезали прямоугольные образцы, которые затем подвергались механическим технологическим операциям и затем изготавливались контакты. Все образцы имели одинаковую кристаллографическую ориентацию - контакты изготавливали в плоскости (111). Характерные размеры конечных детектирующих структур: толщина 1-3 мм, длина и ширина 2-10 мм.

Рассмотрены планарные детекторы на основе структуры металл­полу проводник-металл, планарные с барьером Шотки, детекторы с преимущественно электронным сбором заряда квазиполусферические, копланарные детекторы с электронным сбором заряда. Измерены: ВАХ, эффективность сбора и подвижность носителей заряда, спектральные характеристики фотопроводимости, глубокие центры захвата и рекомбинации неравновесных носителей заряда, спектров ТСРГУ.

Типичные зависимости BAX для исследуемых образцов различных производителей приведены на рисунке 2 и 3.

Вольт-амперные характе­ристики для указанных полуизолирующих образцов CdTe линейные и симметричные.

11

Напротив, BAX полуизолирую­щих детекторов CdZnTe имеют, как правило, характеристики квазидиодов Шоттки, включен­ных навстречу друг другу.

Определение транспортных характеристик - μτ - в детектор­ных материалах CdTe, CdZnTe проводили путем измерения эффективности сбора заряда при облучении детектора частицами с коротким пробегом.

Эффективность сбора носителей заряда CCE в образцах определялась из анализа спектров амплитудного распределения импульсов, полученных при облучении альфа-излучением при различных напряжениях. На рисунке 4 показаны типичные спектры амплитудного распределения импульсных сигналов, возникающих при облучении изотопом 239Pu. Зависимости эффективности сбора неравновесных носителей от приложенного напряжения для образцов CdTe и CdZnTe показаны на рисунке 5.

Рисунок 5. Зависимость CCE от напряжения для детекторов на кристаллах: a -CdZnTe «Redlen»; б - CdTe «Acrorad»

12

Вычисленные значения параметров переноса носителей заряда μτ для исследованных образцов CdZnTe «Redlen» представлены в таблице 1. Указаны также эквивалентный шумовой заряд (ENC) и энергетическое разрешение по линии 59,54 кэВ источника гамма-излучения Ат-241.

Таблица 1. Характеристики образцов CdZnTe

Спектральный анализ фотопроводимости проводился при комнатной температуре в диапазоне длин волн 400-1800 нм. На облучаемые электроды прикладывалось отрицательное напряжение относительно держателя.

Рисунок 6. Спектральная зависимость фотопроводимости образцов: а - CdTe («Acrorad») при напряжении U = 30 В; б - CdZnTe («Redlen») при напряжении U = 40 В

Зависимости имеют три области. Высокоэнергетическая область в диапазоне 400-750 нм с максимумом 600-700 нм связана с наличием оксидных соединений, непосредственно примыкающими к контакту. Область собственного поглощения имеет различное местоположение в зависимости от материала. Для CdTe она находится в диапазоне 820-900 нм, в то время как для CdZnTe - в диапазоне 760-840 нм. Третья область спектров 900-1500 нм связана с глубокими и мелкими уровнями, существующими внутри запрещенной зоны детектора.

Время жизни носителей и, соответственно, их транспортные характеристики - параметр μτ,в большой степени определяются спектром глубоких уровней в запрещенной зоне. В частности, многократный захват на ловушки с последующим термическим выбросом существенно замедляет транспорт носителей заряда. Методом токовой релаксационной спектроскопии глубоких уровней (ТРСГУ), в котором измеряется температурная зависимость релаксации тока после заполнения ловушек импульсом света, определяли энергию термической активации ловушки и сечение захвата носителей.

Спектры ТРСГУ образца CdTe (№ 1) представлены на рисунке 7. При отрицательном смещении на верхнем электроде сигнал растет в сторону низких температур, что, по-видимому, является проявлением какой-то мелкой электронной ловушки. Спектры измерялись при смещении 10 В, чтобы среднее внешнее поле в образце было примерно одинаковым. При высоких температурах сильно растет темновой ток, что делает невозможным анализ спектров в этой области температур.

Рисунок 7.

На рисунке 8 представлены спектры ТРСГУ для образца CdZnTe (№ 10), снятые при смещении ± 4 В при возбуждении коротковолновым светом 365 нм.

Рисунок 9. Спектры ТРСГУ образца CdZnTe (№ 10), снятые при возбуждении УФ светом

Из результатов измерений температурных зависимостей проводимости следует, что энергия активации проводимости исследованных образцов находится в диапазоне 0.78-0.9 эВ. Это свидетельствует об участии в процессе компенсации глубоких уровней, закрепляющих уровень Ферми в середине запрещенной зоны и учитывая некоторое изменение энергии активации уровней после термических воздействий, можно предположить, что они связаны со структурными дефектами. В исследуемых образцах зафиксированы ловушки с энергией: (0.32-0.33) эВ (основной тип, связан с антиструктурным дефектом Те_Са); центры на основе катионных вакансий: (0.19-0.23) эВ, (0.44-0.46) эВ, (0.65-0.83) эВ; дырочный центр (0.91-0.94) эВ.

В пятой главепредставлены результаты экспериментального исследования характеристик спектрометра энергий ионизирующих излучений на основе CdZnTe детектора. Приведены ВАХ, спектры от источников гамма-излучения, обоснован выбор режимов работы детектора, приведены зависимости энергетического разрешения от времени формирования сигнала в спектрометрическом тракте. В рамках данной работы были измерены спектры от источников гамма-излучения ¹³⁷Cs, ²⁴¹Am, ⁵⁷Co, ¹³³Ba. Облучение детекторов происходило со стороны катода детекторов.

Электрические характеристики копланарных детекторов, на которых выполнялись измерения, представлены в таблице 2.

Таблица 2. Электрические характеристики копланарных детекторов

На рисунке 9 приведен спектры излучения нуклидов ¹³⁷Cs, измеренный детектором № 1, при напряжении на детекторах 1000 В, межсеточном напряжении 50 В и постоянной времени формирования 1 мкс.

Файл Устройство Калибооека Анализ Библиотека Параметры Окно Помощь

FX Помощь F2 Сброс F3 Набор F4 Чтение Fβ Отчет F9 Обработка FXO Меню Рисунок 9. Амплитудный спектр источника гамма-излучения ¹³⁷Cs, измеренный детектором №1

Энергетическое разрешение детектора по линиям с энергиями 31 кэВ, 81 кэВ и 662 кэВ составило 8,0; 7,0 и 24,8 кэВ, соответственно. Энергетический эквивалент уровня шума составил 6,4 кэВ. Результаты исследований всех компланарных детекторов показывают, что характеристики детекторов не уступают приведенным аналогичным характеристикам зарубежных изготовителей.