ВВЕДЕНИЕ

Актуальность

C начала 1960-х годов начались активные попытки применения широкозонных полупроводников, таких как GaAs, CdTe, HgI₂, из которых наибольшее внимание привлек к себе CdTe (CdZnTe), как материал, предоставляющий возможность получения превосходного энергетического разрешения для внелабораторных компактных детекторных систем, работающих без охлаждения до температуры жидкого азота.

Созданные в последнее десятилетие полупроводниковые детекторы на основе полупроводников (CdTe, CdZnTe, HgI2, GaAs), позволили решить широкий ряд практических задач создания аналитических приборов экспресс-анализа состава материалов. Детекторы из этих кристаллов не требуют охлаждения до температуры жидкого азота; для обеспечения малых темновых токов достаточно малогабаритного термоэлектрического охладителя мощностью 1-4 Вт, что существенно упрощает конструкцию регистрирующих элементов аналитических приборов по сравнению с приборами, созданными на основе HPGe (особо чистого германия), которые громоздки из-за использования либо систем охлаждения жидким азотом, либо электромеханических охладителей.

Монокристаллы CdTe (CdZnTe), выращенные существующими методами, обладают рядом недостатков: неоднородность микроструктуры, преципитаты, малоугловые границы, дислокации, включения Те (1-5 мкм) в виде второй фазы, низкая теплопроводность.

При сохранении динамики улучшения параметров кристаллов в ближайшее время ожидается расширение их использования в различных областях науки и техники, таких как: астрофизика (гамма- и рентгеновская спектроскопия); медицина (компьютерные томографы, SPECT- и PET- сканеры, костные денситометры, X-Ray и гамма-камеры); геологоразведка и металлургия (каротаж скважин, неразрушающий контроль материалов); ядерные технологии (нераспространение ядерных и радиоактивных материалов, контроль и паспортизация ядерных отходов).

Актуальность исследования в направлении поиска исходного материала с оптимальными полупроводниковыми (ширина запрещённой зоны 1.48÷1.5 3B) и электрофизическими свойствами (высокое удельное сопротивление ~1О¹⁰ Ом-см; транспортные характеристики - подвижность и время жизни носителей - μτ_e-(3÷30)∙10^³и (l÷3)∙10^³cm²∕B дляCdZnTe и CdTe, соответственно) для практического применения в виде

полупроводниковых детекторов и спектрометров, практического использования широкозонных неохлаждаемых полупроводниковых соединений CdTe и CdZnTe группы (A₂B₆) в РФ, обусловлена требованиями наличия высоких характеристик в жестких условиях эксплуатации, миниатюризацией детекторов и сопутствующей электроники, энергетическим микропотреблением, применением новых алгоритмов обработки спектрометрической информации.

Современные детекторы CdTe, CdZnTe по своим конструктивным и технологическим особенностям качественно отличаются от детекторов старого поколения, и их изготовление предполагает существенное повышение информации о характеристиках материала, о технологических способах их обработки. При разработке новых приборов существует потребность в детальном изучении электрофизических характеристик CdTe, CdZnTe; при этом следует понимать, что такие работы необходимо проводить комплексно, так как использование различных методик позволяет дополнять представления как об исследуемых параметрах материала, так и о процессах, лежащих в основе функционирования приборов. Конструирование современных приборов, работающих на новых разрабатываемых принципах, трудноосуществимо без применения компьютерного моделирования аппаратурного спектра или функциональных процессов в полупроводнике.

Цель настоящей работы:установление корреляции между электрофизическими параметрами исследуемых кристаллов CdTe и CdZnTe и детектирующих структур на них основе и характеристиками детекторов ионизирующих излучений.

Выбор объектов исследования обусловлен практической значимостью кристаллов и возможностью совершенствования их параметров. В соответствии с целью были поставлены следующие основные задачи:

1. Разработать комплексную методику и исследовать электрофизические характеристики кристаллов CdTe и CdZnTe.

2. Определить критические параметры материала, конструктивных элементов и особенностей технологии изготовления детектирующих структур (на основе кристаллов CdTe и CdZnTe), влияющих на качество детекторов и приборов.

3. Экспериментально изучить связь электрофизических характеристик с прецизионными спектрометрическими характеристиками.

4. Исследовать характеристики спектрометра энергий ионизирующих излучений на основе CdZnTe детектора.

Научная новизна

Установлено, что транспортные свойства электронов на детектирующих структурах CdZnTe выше, чем на CdTe; хорошие параметры транспортного переноса μτ_eэлектронов на детекторных структурах CdZnTe определяются малой концентрацией глубоких и мелких центров захвата носителей. Зафиксированные в монокристаллах ловушки, влияющие на транспортные характеристики, имеют энергию (эВ): (0.32-0.33), (0.19-0.23), (0.44-0.46), (0.65-0.83); (0.91-0.94).

Разработана математическая модель процесса сбора заряда и формирования амплитудного спектра в детекторах на основе CdTe, CdZnTe при облучении гамма-квантами и выполнена ее апробация с использованием экспериментальных результатов измерений спектрометра на основе CdZnTe.

Разработана методология контроля электрофизических характеристик монокристаллов CdTe и CdZnTe, используемых для изготовления детекторов ионизирующих излучений.

Разработаны методы изготовления планарных и квази- полусферических детекторов, детекторов с р-і-п-структурами, копланарных,

стриповых и пиксельных детекторов и детекторных сборок на основе CdTe, CdZnTe для промышленного применения в дозиметрах, радиометрах, идентификаторах изотопного состава, спектрометрах рентгеновского и гамма-излучения, гамма-визорах, радиационных томографах и для научных исследований.

Теоретическая и практическая значимость

Впервые в РФ проведено комплексное исследование и выявлены особенности электрофизических параметров и свойств монокристаллов CdTe, CdZnTe ведущих отечественных и зарубежных производителей.

Выполнение исследований определяется потребностями атомной отрасли, медицины, различных отраслей науки и техники в широкозонных полупроводниковых детекторах с улучшенными метрологическими свойствами и возможностью работы при температурах окружающей среды до +60 С.

Систематизация электрофизических характеристик по типам технологий изготовления детекторов, позволяет оптимально разделять применения монокристаллов: для спектрометрии, для радиометрии, для дозиметрии ионизирующих излучений разных энергий и видов частиц.

Численные значения электрофизических характеристик используются при расчете оптимальных формы и размеров детектора ионизирующего излучения на основе CdZnTe, CdTe и системы электродов для дальнейшего практического применения в спектрометрах энергий ионизирующих излучений.

Результаты работы использованы при выполнении:

- OKP по созданию портативных средств обнаружения радиоактивных материалов (для АО «ФЦНИВТ «СНПО «Элерон»);

- OKP «Создание датчиков для измерительных каналов диагностики физических процессов ядерных энергетических установок на быстрых нейтронах» (для НИЯУ МИФИ);

OKP «Разработка современного комплекса малогабаритных радиометрических и спектрометрических приборов и ренгенфлуоресцентного

анализатора состава вещества на основе детекторов из широкозонных полупроводниковых материалов CdTe, CdZnTe» (для ГК «Росатом»);

НИОКР «Исследование возможностей построения детекторов ионизирующего излучения на основе перспективных полупроводниковых структур для диагностики физических процессов ядерно-энергетических установок на быстрых нейтронах» (для АО «СНИИП»);

- НИОКР «Разработка комплекса технических средств для измерения объемной активности инертных радиоактивных газов в выбросах предприятий ядерного топливного цикла и других ядерно- и радиационно­опасных объектов» (для НИЯУ МИФИ).

Методология и методы исследования

В работе использовалась методология комплексного исследования полупроводниковых материалов CdZnTe, CdTe с применением различных методик и средств, включающих измерение транспортных характеристик μτ; определение подвижности с помощью время-пролётной техники; определение параметров уровней захвата; измерение удельного сопротивления, определение объёмной и поверхностной составляющих токов утечки; исследование глубоких уровней и ловушек захвата и рекомбинации; исследования однородности; измерения электрического поля в детекторе.

Отдавалось предпочтение таким методикам исследования материала, изучаемые параметры которых непосредственно связаны с основными характеристиками детекторов или прямо влияющие на них.

Научные положения, выносимые на защиту

1. Математическая модель процесса сбора заряда и формирования амплитудного спектра в детекторах на основе CdZnTe и CdTe при облучении гамма-квантами, учитывающая шумовой вклад электроники (предварительного и формирующего предусилителей).

2. Разработанная методика измерения спектральных характеристик фотопроводимости обеспечивает обнаружение и определение концентрации примесных центров в полупроводниковом материале, позволяет выявлять

природу глубоких центров, изучать поверхностную рекомбинацию носителей заряда, оценивать поверхностное качество контактов при отработке технологии травления поверхности и ее пассивирования.

3. Высокая эффективность детекторов на основе монокристаллов обеспечивается электрофизическими параметрами материала в следующих пределах: удельное сопротивление IO¹⁰Om cm,транспортные характеристики (для электронов, μτ_ey. (3÷30)∙10^³для CdZnTe и (l÷3)∙10^³cm²∕B дляCdTe.

4. На транспортные характеристики монокристаллов CdTe и CdZnTe основное влияние оказывает наличие глубоких ловушек и степень их заполнения.

Достоверность результатовдиссертации обеспечивается проверкой теоретических положений экспериментальными исследованиями; корректной постановкой исследовательских задач; применением современных методов исследования и обработки экспериментальных результатов; апробацией на международных и всероссийских конференциях; публикациями основных результатов работы в рецензируемых центральных изданиях; использованием результатов работы на практике.

Основное содержаниеработы опубликовано в 12 печатных работах, включая 4 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК.

Апробация работыОсновные результаты диссертационной работы были представлены на форумах и конференциях: «ИНТЕРРА-2011» (г. Новосибирск); «Современные методы и технологии ядерного приборостроения» Россия (г. Москва, ОАО «СНИИП», 2012); XIX Международная научно-практическая конференция студентов и молодых учёных «Современная техника и технологии - 2013» (г. Томск,); «Ядерное приборостроение - 2013. Аппаратурное обеспечение» (г. Москва, ОАО «СНИИП»); 9th International Workshop 2014 Strong Microwaves and terahertz waves: sources and applications (Nizhniy Novgorod); LXV международная конференция NUCLEUS-2015 (CΠ6.); XIII международное совещание «Проблемы прикладной спектрометрии и радиометрии» (г. Санкт-Петербург, 2015).; XIII Международная конференция «Перспективные технологии,

оборудование и аналитические системы для материаловедения и наноматериалов» (г. Курск, 2016); 19th World Conference on Non-Destructive Testing (Мюнхен, 2016); Международная конференция «ЯДРО-2016» (г. Саров, 2016); семинар НТЦ УП РАН (г. Москва, 2016); научно- техническая конференция АО «СНИИП» (г. Москва, 2017); VI Международная конференция по фотонике и информационной оптике (г. Москва, 2017); 3-я Международная научно-практическая конференция «Физика и технология наноматериалов и структур» (г. Курск, 2017).

Работа по теме диссертации проводилась в соответствии с тематическими планами НИР, в рамках государственного контракта № H4x.44.90.13.1125 на выполнение научно-исследовательской и опытно­конструкторской работы «Разработка параметрического ряда детекторов рентгеновского и гамма-излучения нового поколения и технологии их создания на основе проведения комплексных исследований широкозонных полупроводниковых материалов CdTe и CdZnTe».

Личный вклад автораДиссертантом совместно с научным руководителем проводились выбор темы, планирование работы, постановка задач и обсуждение полученных результатов. Автором самостоятельно выполнены эксперименты по исследования электрофизических свойств монокристаллов, исследованию радиометрических и спектрометрических характеристик детектирующих структур, изготовленных из отобранных монокристаллов CdTe и CdZnTe, исследованы характеристики спектрометра энергий ионизирующих излучений на основе квазиполусферического CdZnTe детектора. Автором проведены расчеты, обработаны полученные результаты.

Структура и объём диссертационной работы Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных результатов и выводов, списка литературы. Работа содержит 168 страниц основного текста, 90 рисунков, 30 таблиц, список литературы из 88 источников.