close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

uploaded 0C5A09910C

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
Яскевич Тамара Михайловна
ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И ЯРКОСТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
СТРУКТУР GaAs-ZnS ДЛЯ ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ИЗОБРАЖЕНИЙ
Специальность 01.04.10 – физика полупроводников
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата физико-математических наук
Томск – 2013
Работа
выполнена
в
федеральном
государственном
бюджетном
образовательном учреждении высшего профессионального образования
«Национальный исследовательский Томский государственный университет»
на кафедре полупроводниковой электроники радиофизического факультета и в
лаборатории физики полупроводников научно-образовательного центра
«Физика и электроника сложных полупроводников» Сибирского физикотехнического института имени академика В.Д. Кузнецова.
Научный руководитель:
кандидат физико-математических наук, доцент
Калыгина Вера Михайловна
Официальные оппоненты:
Давыдов Валерий Николаевич, доктор физико-математических наук,
профессор, федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение
высшего
профессионального
образования
«Томский
государственный университет систем управления и радиоэлектроники»,
кафедра электронных приборов и устройств, профессор
Коханенко Андрей Павлович, доктор физико-математических наук, старший
научный
сотрудник,
федеральное
государственное
бюджетное
образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Национальный исследовательский Томский государственный университет»,
кафедра квантовой электроники и фотоники, профессор
Ведущая организация:
федеральное
государственное
бюджетное
образовательное
учреждение
высшего
профессионального
образования
«Национальный исследовательский Томский
политехнический университет»
Защита состоится «21» ноября 2013 г. в 14 час. 30 мин. на заседании
диссертационного совета Д 212.267.07, созданного на базе федерального
государственного бюджетного образовательного учреждения высшего
профессионального образования «Национальный исследовательский Томский
государственный университет», по адресу: 634050, г. Томск, пр. Ленина 36.
С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке Томского
государственного университета по адресу: 634050, г. Томск, пр. Ленина 34, а.
Автореферат разослан «____» октября 2013 г.
Учёный секретарь
диссертационного совета
доктор физико-математических наук
Киреева
Ирина Васильевна
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Развитие микроэлектроники привело к внедрению
информационных систем в каждую отрасль науки и техники. Так, аналоговые
системы обнаружения рентгеновского и гамма-излучений (изображение на
рентгеновской пленке) были заменены цифровыми детекторами, сигнал с
которых поступает на персональный компьютер. Информацию в цифровом
виде можно хранить, пересылать, обрабатывать. Наиболее чувствительными
системами считаются приборы на основе полупроводниковых материалов [1,
2]. Основные преимущества цифровых полупроводниковых детекторов перед
аналоговыми детекторами заключаются в отсутствии необходимости
правильного выбора экспозиции, что положительно сказывается на контрасте
и качестве изображения; меньшей дозовой нагрузке на пациента; возможности
работать в режиме реального масштаба времени. К недостаткам цифровых
детекторов с электрическим считыванием можно отнести в десятки-сотни раз
худшее пространственное разрешение (минимальная величина различаемого
объекта). Это связано с тем, что для аналоговых приборов единичный
чувствительный элемент, дающий вклад в общую картину, связан с размером
светоизлучающих частиц; а для цифровых – с размерами единичного элемента
микроэлектроники (матричного элемента, пикселя). Значительную трудность
для детекторов большого формата представляет сложность практического
изготовления системы считывания, обеспечивающей мгновенную обработку
информации с огромного числа пикселей.
В настоящее время существует несколько направлений решения
указанной проблемы. Одним из наиболее перспективных решений является
разработка полупроводниковых детекторов с оптическим выводом
информации. Подобного типа устройства могут быть реализованы при
использовании
систем
фотопроводник-электролюминофор
или
фотопроводник-жидкий кристалл. Каждая из систем имеет свои преимущества
и недостатки. Сложность изготовления панелей жидкокристаллических ячеек
и их соединения со слоем полупроводника сделала наиболее
привлекательным, в рамках данной работы, использование слоев
электролюминофора, нанесенных печатным способом на поверхность
фотопроводника.
Интерес к преобразователям ионизирующих излучений с оптическим
выводом информации возник сравнительно недавно, около десяти лет назад,
хотя первые упоминания, о подобного рода устройствах, появились еще в
3
1961-1972 годах [3, 4, 5, 6]. Работа детекторов с оптическим выводом
информации основана на перераспределении приложенного к структуре
напряжения между слоями фотопроводника и электролюминофора во время
облучения квантами с высокой энергией и увеличении падения напряжения на
светоизлучающем слое. Когда напряжение достигает пороговых значений, в
последнем начинается процесс лавинного размножения носителей заряда с
последующей излучательной рекомбинацией.
Пространственное разрешение таких систем в 20-50 раз выше по
сравнению с детекторами с электрическим выводом [7, 8].
Анализ литературных данных показал, что на данный момент
исследования твердотельных преобразователей изображений ведутся на
уровне научно-исследовательских работ [9, 10, 11, 12]. Недостаточно изучены
процессы, протекающие в детекторах с оптическим выводом информации; не
получены данные по изменению яркости свечения в зависимости от режимов
возбуждения; отсутствует физическая модель, учитывающая параметры и
особенности конкретных слоев фотопроводника и электролюминофора в
твердотельном
преобразователе
изображений
(ТПИ),
позволяющая
количественно интерпретировать экспериментальные данные, а также
производить прогнозирование оптических характеристик устройств.
В данной работе исследованы свойства твердотельных преобразователей
изображений на основе структур полуизолирующий арсенид галлия – сульфид
цинка, проведено сравнение экспериментальных и теоретических данных.
Выбор именно этого полупроводникового материала был сделан, исходя из
того факта, что детекторы на основе GaAs обладают высокой
чувствительностью и эффективностью регистрации квантов с энергией 16-60
кэВ. Выбор сульфида цинка в качестве люминесцирующего слоя определялся
двумя причинами. Люминофоры на основе ZnS получили широкое
распространение как хорошо изученный, дешевый и технологичный материал
для создания люминесцентных источников света в сине-зеленой области
излучения. Информация о создании в нашей стране и за рубежом детектора на
основе GaAs, используемого в качестве чувствительного к ионизирующему
излучению
слоя,
в
комбинации
со
слоем
цинксульфидного
электролюминофора, отсутствует.
Цель работы: исследование физических закономерностей свечения
системы фотопроводник-люминофор на основе структур GaAs-ZnS при
воздействии ионизирующего излучения рентгеновского диапазона.
4
Задачами работы являлись:
а) исследование электрофизических и яркостных характеристик
экспериментальных образцов электролюминесцентных конденсаторов на
основе ZnS, легированного медью;
б) исследование влияния энергии квантов и мощности ионизирующего
излучения на фотопроводимость и чувствительность полупроводниковых
структур Ме-GaAs-Ме;
в) исследование фотоэлектрических характеристик и влияния
ионизирующего излучения рентгеновского диапазона на яркостные
характеристики твердотельного преобразователя изображений со структурой
GaAs-ZnS;
г) уточнение физической модели работы ТПИ, сопоставление расчетных
и экспериментальных зависимостей яркости свечения от мощности
экспозиционной дозы, формы импульсов, частоты, амплитуды и полярности
напряжения.
В настоящее время в научно-технической литературе нет сообщений о
проведении подобных исследований, и такая постановка задачи является
полностью оригинальной.
Объекты исследования:
а) структуры Ме-GaAs-Ме трех типов:
1) на основе GaAs, компенсированного атомами хрома в процессе
высокотемпературного отжига;
2) на основе GaAs, легированного атомами хрома в процессе роста;
3) на основе нелегированного GaAs, содержащего EL 2 центры.
б) электролюминесцентные конденсаторы (ЭЛК) трех типов:
1) конденсаторы на основе порошкообразного люминофора марки
Э-515-115(220) ZnS:Cu,Al фирмы «Люминофор»;
2) ЭЛК на основе пасты марки 8154L ZnS:Cu фирмы «DuPont
Electronic Materials»;
3) ЭЛК, на основе пасты марки 8154L, содержащие слой
диэлектрика 8153 фирмы «DuPont Electronic Materials»;
в) твердотельные преобразователи изображений на основе GaAs-ZnS:Cu.
5
Положения, выносимые на защиту:
а) использование системы высокоомный GaAs и ZnS позволяет
производить преобразование рентгеновского излучения с энергией квантов 17140 кэВ и ИК-излучения с длиной волны < 940 нм в излучение видимого
диапазона;
б) яркость свечения твердотельных преобразователей изображений на
основе структур фотопроводник-люминофор при использовании в качестве
фотопроводника арсенида галлия, возрастает с увеличением времени жизни
неравновесных электронов, возбуждённых при поглощении рентгеновского
излучения, и с уменьшением темновой проводимости чувствительного слоя,
что обеспечивает более высокую чувствительность ТПИ для материала,
компенсированного атомами хрома в процессе высокотемпературного отжига;
в) при воздействии инфракрасного излучения с длиной волны < 940 нм и
рентгеновского излучения с энергией квантов 17-140 кэВ на структуры
фотопроводник-люминофор на основе GaAs:Cr-ZnS:Cu яркость свечения и
квантовая эффективность твердотельных преобразователей изображений
зависят от полярности приложенного напряжения, что определяется
неоднородной генерацией неравновесных электронно-дырочных пар при
воздействии ионизирующего излучения; квантовая эффективность ТПИ выше,
если область генерации неравновесных носителей смещается к катоду;
г) в структурах полуизолирующего GaAs и ZnS, легированного атомами
меди с массовой долей 0,2 %, при воздействии ионизирующего излучения и
подаче опорного гармонического сигнала или прямоугольных импульсов с
частотой 200-2000 Гц, амплитудой 50-250 В обнаружен рост яркости свечения
с повышением напряжения без выхода на насыщение, что объясняется
высокой концентрацией центров свечения в люминофоре.
Достоверность результатов и выдвигаемых на защиту научных
положений обеспечивается использованием современной экспериментальной
техники,
классических
или
уже
апробированных
методик,
воспроизводимостью экспериментальных данных. Измеренные значения
яркости свечения электролюминесцентных конденсаторов соответствуют
заявленным производителем люминофора значениям при указанных режимах
возбуждения. Поведение экспериментально установленных закономерностей
не противоречит современным представлениям о физико-химических
процессах, протекающих в электролюминофорах и высокоомных
полупроводниках, и согласуется с теоретическими расчетами.
6
Научная новизна заключается в том, что
а) показано, что система фотопроводник-люминофор на основе структур
GaAs:Cr–ZnS:Cu
может
быть
использована
для
преобразования
рентгеновского излучения в излучение видимого диапазона;
б) впервые показано, что высокая яркость свечения ТПИ со структурой
GaAs:Cr-ZnS:Cu обусловлена большими значениями времени жизни
неравновесных электронов, возбуждённых рентгеновским излучением в
фотопроводнике
и
низким
значением
темновой
проводимости
чувствительного слоя из GaAs, компенсированного Cr в процессе
высокотемпературного отжига;
в) впервые установлено, что яркость свечения и квантовая эффективность
твердотельных преобразователей изображений на основе структур GaAs:CrZnS:Cu определяются в большей степени не глубиной модуляции
проводимости фотопроводника, а неоднородной генерацией неравновесных
электронно-дырочных пар при воздействии ионизирующего излучения.
Экспериментально показано, что квантовая эффективность ТПИ выше, если
поглощение рентгеновских квантов в фотопроводнике преимущественно
происходит у катода.
Научная ценность. Совокупность полученных в работе результатов и
сделанных выводов вносит вклад в описание физических процессов работы
детекторов с оптическим выводом информации, проводимое в рамках
фундаментальной научной проблемы – поиска новых структур и создания
чувствительных малодозовых детекторов рентгеновского излучения с высоким
пространственным разрешением.
Практическая значимость определяется, прежде всего, тем, что
результаты проведенных исследований дополняют и углубляют сведения о
методах создания и основных процессах работы детекторов рентгеновского
излучения с оптическим выводом информации. А именно, в диссертации:
а) предложены конструкторско-технологические основы изготовления
твердотельных
преобразователей
изображения
для
детектирования
рентгеновского излучения: в качестве фотопроводника в ТПИ впервые
использованы резистивные структуры полуизолирующего арсенида галлия,
компенсированного атомами хрома в процессе высокотемпературного
диффузионного отжига;
б) изучены зависимости яркости свечения люминофора и качества
изображения ТПИ со структурой GaAs:Cr-ZnS:Cu от полярности, амплитуды,
7
частоты, формы импульсов опорного сигнала, а также вида и мощности
ионизирующего излучения;
в) уточнена физическая модель ТПИ, за счет учета электрофизических
свойств фотопроводника и электролюминофора, что позволяет производить
оценку свойств и характеристик твердотельных преобразователей
изображения со структурой Me-GaAs:Cr-ZnS:Cu-Me в зависимости от энергии
квантов (17 кэВ и 40 – 140 кэВ), мощности экспозиционной дозы
рентгеновского излучения, полярности напряжения.
Практическая значимость подтверждена использованием результатов
работы в научных исследованиях, выполненных в рамках федерально-целевой
программы (Г.К. №П2137, Г.К. №14.740.11.0499) и программы «Участник
Молодежного Научно-Инновационного Конкурса».
Личный вклад автора заключается в изготовлении ЭЛК печатным
способом, проведении экспериментальных исследований яркостных,
спектральных
и
электрических
характеристик
цинксульфидных
электролюминофоров; изучении влияния рентгеновского и ИК-излучений на
структуры Ме-GaAs-Ме; проведении моделирования яркости свечения
твердотельного преобразователя изображения при воздействии ИК- и
рентгеновского излучений, получении экспериментальных данных о работе
твердотельных преобразователей изображений. Полученные результаты
обсуждались с научным руководителем канд. физ.-мат. наук, доцентом ТГУ
В.М. Калыгиной при консультировании заведующего лабораторией физики
полупроводников СФТИ ТГУ А.В. Тяжевым, доктором физ.-мат. наук,
профессором ТГУ О.П. Толбановым, доктором физ.-мат. наук, профессором
ТГУ В.И Гаманом. Изготовление экспериментальных образцов Ме-GaAs-Ме
выполнено коллективом научных сотрудников СФТИ ТГУ: В.А. Новиковым,
Н.И. Кожиновой, Э.Г. Хамматовой, Г.С. Юговой, Д.Ю. Мокеевым, А.Н.
Зарубиным, Ю.С. Петровой. Исследования фотопроводимости слоев GaAs
выполнены совместно с заведующим лабораторией физики полупроводников
СФТИ ТГУ А.В. Тяжевым, канд. физ.-мат. наук, старшим научным
сотрудником ТГУ М.П. Якубеней, канд. физ.-мат. наук, старшим научным
сотрудником Д.Л. Будницким. Нанесение люминесцентного слоя на пластины
арсенида галлия исполнено в фирме «Оникс» г. Ярославль. Измерение
характеристик ТПИ при воздействии ИК-излучения проведено при участии
аспиранта ТГУ О.Ю. Маджидова.
8
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и
обсуждались на 10-й и 11-й Российских научных студенческих конференциях
«Физика твердого тела» (г. Томск 2006 г., 2008 г.), 2-й и 5-й Международных
научно-практических конференциях «Актуальные проблемы радиофизики» (г.
Томск, 2008 г., 2013 г.), 3-й и 4-й Конференциях студенческого научноисследовательского инкубатора (г. Томск 2007 г.), 14-й Международной
научно-практической конференции студентов и молодых ученых
«Современные техника и технологии» (г. Томск 2008 г.), 3-й (35-й)
Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и
молодых ученых «Образование, наука, инновации – вклад молодых
исследователей» (г. Кемерово 2008 г.), 46-й Международной научной
студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс» (г.
Новосибирск 2008 г.), 6-й Международной конференции «Аморфные и
микрокристаллические полупроводники» (г. Санкт-Петербург 2008 г.),
Международной IEEE сибирской конференции по управлению и связи
(SIBCON-2009) (г. Томск, 2009 г.), Международной заочной научнопрактической конференции «Инновации в современном мире» (г.
Новосибирск, 2011 г.), 28-м Международном семинаре МНТЦ «Современные
материалы и их применение» «Advanced Materials and Application» (г. Ульсан,
Республика Корея, 2012 г.), Международной молодежной научной школе
«Актуальные проблемы радиофизики» (г. Томск, 2012 г.).
Публикации. У соискателя ученой степени имеется 38 опубликованных
работ, из которых 19 в журналах, входящих в список ВАК. Основные
результаты работы по теме диссертации опубликованы в 17 печатных работах,
из которых 5 – в журналах, включенных в список ВАК.
Структура и объем работы. Текст диссертации состоит из введения, 5
глав, заключения, списка использованной литературы; содержит 83 рисунка, 4
таблицы, библиографический список включает 127 наименований – всего 150
страниц.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и
пути ее достижения, отмечена новизна, аргументирована научная и
практическая значимость работы, изложены выносимые на защиту положения,
представлено краткое содержание разделов диссертации.
Первая глава является обзором литературных данных по теме
диссертации. Рассмотрены существующие классы детекторов. Основное
9
внимание уделено сцинтилляционным и полупроводниковым детекторам
ионизирующего излучения. Приведены преимущества полупроводниковых
детекторов с оптическим выводом информации по сравнению с
полупроводниковыми детекторами с электрическим считыванием. Описаны
физические процессы, протекающие в твердотельных преобразователях
изображения. В выводах к первой главе сформулированы цель и задачи
исследования, вытекающие из анализа литературных данных.
Во второй главе описаны технология изготовления образцов, а также
методика
измерений
характеристик
структур
Me-GaAs-Me,
электролюминесцентных конденсаторов на основе сульфида цинка,
экспериментальных образцов твердотельных преобразователей изображений
Me-GaAs:Cr-ZnS:Cu-Me.
Изготовление образцов Me-GaAs-Me трех типов осуществлено в
лаборатории физики полупроводников СФТИ ТГУ. Исследования
фотопроводимости структур Me-GaAs-Me проводили с помощью собранного
измерительного стенда, включающего источник излучения (ИК-светодиод,
рентгеновские установки с молибденовым и вольфрамовым анодами),
генератор постоянного или переменного тока, осциллограф, фотодиод,
дозиметр.
В работе были исследованы оптические и электрические характеристики
электролюминесцентных конденсаторов трех типов. Первый тип:
электролюминесцентные конденсаторы, изготовленные в СФТИ ТГУ
печатным способом на основе порошкового люминофора ZnS:Cu,Al марки Э515-115(220) фирмы «Люминофор», г. Ставрополь. Массовая доля содержания
меди в ZnS составляла 0,2 %, алюминия – 1,6 %. Толщина слоев люминофора в
ЭЛК первого типа изменялась от 36 до 180 мкм. Второй тип – это
электролюминесцентные конденсаторы, люминофором в которых являлась
паста 8154L (ZnS:Сu) фирмы «DuPont Electronic Materials» толщиной 50 мкм.
В третьем типе ЭЛК на слой люминофора фирмы «DuPont Electronic Materials»
(50 мкм) был нанесен диэлектрик марки 8153 фирмы «DuPont Electronic
Materials» толщиной 1 мкм. ЭЛК второго и третьего типов были изготовлены в
фирме «Оникс», г. Ярославль методом трафаретной печати (печатный способ).
Проводящими покрытиями во всех ЭЛК были слои ITO (90 % In2O3 + 10 %
SnO2), нанесенные на поверхность стеклянных подложек.
10
Исследование яркостных характеристик было проведено на специально
собранном стенде, содержащем генератор прямоугольных и гармонических
импульсов, усилитель-делитель, осциллограф, фотоприемник, люксметр.
Исследования спектров излучения были проведены с помощью
универсального монохроматора УМ-2 в диапазоне длин волн 380–1000 нм.
Вольт-амперные и частотные зависимости емкости и активной
проводимости исследовали с помощью автоматизированных комплексов.
Экспериментальные
образцы
твердотельных
преобразователей
изображения
имели
структуру
Ме-GaAs:Cr-ZnS:Cu-Ме.
Толщина
полупроводниковых пластин GaAs:Cr равнялась 240 мкм, площадь – 2,0 см2,
емкость – 0,92 пФ. Удельное сопротивление GaAs:Cr составляло ≈5·108 Ом·см.
Люминофор фирмы «DuPont Electronic Materials» толщиной 30 мкм наносили
печатным способом. Для создания контакта к фотопроводнику на поверхность
GaAs:Cr наносили тонкий слой алюминия. В качестве контакта к слою
электролюминофора использовали прозрачную (на длине волны свечения
люминофора) проводящую пасту фирмы «DuPont Electronic Materials». Для
получения эквипотенциальной поверхности поверх проводящей пленки
нанесено серебряное покрытие в виде кольца, к которому подпаивался второй
контакт.
Исследование
характеристик
твердотельных
преобразователей
изображений проводили при использовании ИК-светодиода (940 нм),
рентгеновского излучения с энергией квантов от 40 до 140 кэВ и 17 кэВ.
Излучение светоизлучающего слоя ТПИ регистрировалось с помощью
фотоэлектронного умножителя, люксметра, ПЗС-фотокамеры (WAT-902H
японской компании Watec Co) и микроскопа (стереоскопический микроскоп
МБС-10). В установках для исследования характеристик структур Ме-GaAsZnS-Ме использовались генераторы прямоугольных и синусоидальных
импульсов, фильтр, отсекающий ИК-излучение, фотодиод, дозиметр,
цифровой осциллограф.
Третья глава посвящена исследованиям оптических и электрических
характеристик электролюминесцентных конденсаторов с целью определения
особенностей их поведения при изменении формы, амплитуды, частоты
импульсов опорного сигнала. Получены данные о длине волны свечения,
емкости и проводимости образцов, влиянии слоев диэлектрика и толщины
слоя электролюминофора на яркость свечения, изучены процессы деградации.
11
Показано, что при увеличении амплитуды опорного сигнала, яркость
свечения ЭЛК увеличивается по эмпирическому закону:
L  L0 exp(b / U ) ,
(1)
где L0 слабо зависит от напряжения (U), а b – постоянная, определяемая
свойствами люминофора. Яркость свечения ЭЛК при возбуждении
прямоугольными импульсами выше, чем при синусоидальной форме сигнала,
это объясняется большей крутизной нарастания фронта импульса ( dU ). При
dt
12
ln (Яркость свечения ЭЛК, отн. ед)
Яркость свечения, отн. ед
увеличении амплитуды напряжения переменного тока до 250 В, яркость
свечения ЭЛК не выходит на насыщение. Этот факт очень важен при
использовании слоев электролюминофора в твердотельных преобразователях
изображения.
С
повышением
частоты
1
500
переменного сигнала яркость свечения
ЭЛК возрастает, что связано с
1
400
изменением параметров L0=L0(f) и b=b(f)
2
300
(рисунок 1).
Яркость свечения ЭЛК на основе
200
2
люминофора фирмы «DuPont Electronic
Materials»
возрастает
линейно
с
100
увеличением частоты опорного сигнала
0
на начальном участке, при f > 2500 Гц
зависимость выходит на насыщение и
50
100
150
200
250
Напряжение, В
постепенно снижается при дальнейшем
1
f=4000 Гц
повышении
частоты.
Наблюдаемая
2
f=400 Гц
зависимость объясняется тем, что в
Рисунок 1 – Вольт-яркостная
области низких частот число актов
характеристика ЭЛК, измеренная
ионизации, происходящих в течение
на частотах 400 и 4000 Гц
одного периода, слабо зависит от
частоты, и поэтому увеличение числа периодов в секунду вызывает
соответствующее увеличение числа актов ионизации в единицу времени.
Снижение яркости свечения ЭЛК в интервале больших частот можно связать с
истощением
источника
электронов
и
изменением
плотности
пространственного заряда.
При увеличении толщины светоизлучающего слоя от 36 до 180 мкм,
яркость свечения ЭЛК уменьшается экспоненциально. Введение слоев
7
6
5
4
3
2
0,06
0,07
0,08
-0,5
0,09
-0,5
U ,В
0,10
диэлектрика в структуру электролюминесцентного конденсатора приводит к
увеличению яркости свечения слоя электролюминофора. Это явление
объясняется тем, что диэлектрик препятствует уходу свободных носителей
заряда в металлический электрод. Чем больше свободных носителей в зоне
проводимости люминофора, тем выше вероятность излучательной
рекомбинации. Высокая плотность поверхностных состояний на границе
раздела
люминофор-диэлектрик
обеспечивает
поставку
большой
концентрации электронов в зону проводимости люминофора, которые
являются затравочными для развития ударной ионизации и лавинного
размножения свободных носителей заряда.
Деградационные процессы, протекающие в ЭЛК, связаны с изменением
физико-химических свойств широкозонного полупроводника (ZnS) под
влиянием внешних факторов и сильно зависят от величины начальной яркости
свечения. Яркость свечения со временем убывает по эмпирическому закону
L (t ) 
L(0)
 t
1  
 t1 / 2




m
, где L(t), L(0) - соответственно, текущее и начальное значения
яркости; m = 0,5–1,0; t – время наработки; t1/2 - константа, имеющая
физический смысл времени, за которое яркость снижается наполовину, она
называется временем полуспада.
В четвертой главе исследовано влияние рентгеновского и ИКизлучений на фотопроводимость структур Me-GaAs-Me. На основе
полученных экспериментальных данных показано, что кривую зависимости
относительной фотопроводимости
отн 
 темн
от интенсивности излучения
темн
ИК-светодиода (Е) в диапазоне 10-7 – 3·10-2 Вт/см2 можно аппроксимировать
степенной функцией
(2)
отн  k  E n ,
где k - коэффициент пропорциональности, n – показатель степени,  темн проводимость структур без освещения,  - проводимость структур во время
освещения. При этом для структур GaAs:Cr коэффициент пропорциональности
равен 1,4·107 см2/Вт, что выше почти на три порядка по сравнению с
коэффициентами пропорциональности для структур на основе ростового
GaAs:Cr и нелегированного GaAs(EL 2), равными 4·104 и 2·104 см2/Вт
соответственно. Показатели степени близки к единице для всех трех структур
13
и равны 1,20; 1,03; 0,97 соответственно. Таким образом, для создания
высокоэффективных
твердотельных
преобразователей
изображения
необходимо использовать GaAs, компенсированный атомами глубокой
акцепторной примеси в процессе высокотемпературного отжига.
Величина тока, протекающего в структуре Me-GaAs-Me при воздействии
рентгеновского излучения с энергией квантов 17 кэВ, является функцией
мощности экспозиционной дозы P ионизирующего излучения
I  I темн  K  P ,
(3)
где K – коэффициент пропорциональности. Чувствительность фототока к МЭД
рентгеновского излучения с энергией квантов 17 кэВ, измеренная на
постоянном и переменном токах, зависит от полярности напряжения на
структуре. При приложении постоянного напряжения K составляет 104
нА  c/P при отрицательной полярности на электроде со стороны излучения и
5,5 нА  c/P – при положительной полярности (рисунок 2,а). Коэффициент
пропорциональности
для
слоя
фотопроводника
при
воздействии
ионизирующего излучения с энергией квантов 40-140 кэВ составляет 306
нА·с/Р при отрицательной и 304 нА·с/Р при положительной полярностях на
электроде со стороны излучения, что в три раза выше, чем при воздействии
квантов с энергией 17 кэВ (рисунок 2,б).
1000
1
2
400
1
300
Фотток, нА
Фототок, нА
800
600
400
200
200
100
2
0
0
0
2
4
6
8
0
10
МЭД рентгеновского излучения, P/c
1
2
200
400
600
800
1000 1200
МЭД рентгеновского излучения, мР/с
отрицательная полярность
положительная полярность
1
2
отрицательная полярность
положительная полярность
а
б
Рисунок 2 - Зависимость фототока от мощности экспозиционной дозы.
Энергия квантов 17 кэВ (а) и 40-140 кэВ (б). Напряжение на образце 60 В
14
Наблюдаемое влияние на фототок полярности напряжения определяется
глубиной проникновения ионизирующих частиц. При воздействии излучения с
энергией квантов 40–140 кэВ поглощение происходит по всему объему
образца и влияние полярности приложенного напряжения существенно
меньше, чем при воздействии квантами с энергией 17 кэВ, для которых
поглощение в образце осуществляется лишь в части кристалла, обращенной к
аноду рентгеновской трубки. Обнаруженный эффект влияния полярности
приложенного сигнала на фототок связан с разными значениями подвижности
и времени жизни электронов и дырок и существованием градиента
концентрации неравновесных носителей заряда.
На временных зависимостях сигнала с детектора присутствует сдвиг фаз
относительно опорного напряжения, который с увеличением мощности
рентгеновского излучения уменьшается линейно.
Пятая глава посвящена исследованию лабораторных образцов
твердотельных
преобразователей
изображения
и
сравнению
экспериментальных и расчетных данных.
В
основу
расчета
положено
эмпирическое
соотношение
L  L0 exp(b / U ) , связывающее яркость свечения ЭЛК L с приложенным к
структуре напряжением U. Величина напряжения, приходящегося на слой
ЭЛК в структуре ТПИ, рассчитывается с помощью электрической
эквивалентной схемы. Для этого необходимо знать амплитуду опорного
сигнала и характеристики слоев фотопроводника и электролюминофора, такие
как R Л , RФ – активные сопротивления слоев люминофора и фотопроводника,
C Л , C Ф – их емкости, а также частотные зависимости этих величин. Согласно
электрической эквивалентной схеме ТПИ, действительную часть
приложенного к светоизлучающему слою гармонического сигнала можно
представить в виде:
U Л t  
RЛ2    CЛ  2  U 0
 1
1 



 СФ СЛ 
RФ  RЛ 2   2  
2






1

 sin   t  arctg 
 RФ    CФ






где ω – частота опорного сигнала.
При подаче импульсов прямоугольной формы
15




  arctg  





 1
1   

 
 С  С    ,
Л  
 Ф
 
  RФ  RЛ   

 
 
(4)
RЛ2    C Л  2  U 0  4
U Л t  

 1
1 


 СФ СЛ 
RФ  RЛ 2   2  
2



1
1   ,



 





1
С
С

Ф
Л  
 sin (2  j  1)    t   arctg 
 R    C   arctg     R  R     



 Ф
Ф
Ф
Л

 
 30



 


  

2

n

1
j

0












(5)
Яркость свечения, отн. ед.
где j - целое число.
100
1
С
использованием
экспериментальных
данных
о
2
параметрах
слоев
электролюминофора
и
10
фотопроводника были проведены
расчеты яркости свечения ТПИ от
мощности ИК- и рентгеновского
излучений, а также построены
временные
зависимости
яркости
1
свечения.
1
10
100
Проведенные
исследования
2
Удельная мощность ИК-излучения, Вт/м
лабораторных образцов ТПИ показали
1
расчет
соответствие расчетных зависимостей
2
эксперимент
с экспериментальными (рисунок 3).
Рисунок 3 – Яркость свечения ТПИ
Установлено, что при увеличении
при воздействии ИК-излучения и
мощности ИК- и рентгеновского
подаче гармонического сигнала с
излучений яркость свечения структур
амплитудой 58 В, частотой 400 Гц
Me-GaAs-ZnS:Cu-Me
возрастает
(рисунок 4).
Подача опорного сигнала с большей амплитудой приводит к увеличению
яркости свечения. Полярность напряжения влияет на яркость свечения
аналогично влиянию полярности на фотопроводимость структур Me-GaAs-Me.
С повышением частоты от 200 до 2000 Гц, яркость свечения ТПИ
уменьшается.
Неоднородности свечения преобразователя связаны с неоднородностью
электрофизических характеристик фотопроводника (дислокационная сетка с
характерным размером ячеек 200–1700 мкм). Они не зависят от величины
мощности падающего излучения, параметров опорного сигнала и являются
геометрически закрепленными. Пространственное разрешение структур,
16
рассчитанное из максимальных размеров неоднородностей, составляет 0,5–0,3
пар линий на миллиметр.
143 мР/с
288 мР/с
480 мР/с
Рисунок 4 - Фотографии поверхности ТПИ во время облучения рентгеновским
излучением, при разной мощности экспозиционной дозы
В Заключении на основе проведенных экспериментальных
исследований и полученных расчетных зависимостей сформулированы
выводы:
а) система фотопроводник-люминофор на основе структур GaAs:CrZnS:Cu, способна работать в качестве твердотельных преобразователей
изображений;
б) яркость свечения люминофора ZnS:Cu и качество изображения ТПИ со
структурой GaAs:Cr-ZnS:Cu зависит от полярности, частоты, амплитуды,
формы импульсов опорного сигнала, мощности ионизирующего излучения.
Установлено, что яркостные характеристики ТПИ на основе GaAs:Cr-ZnS:Cu
определяются электрофизическими свойствами GaAs и ZnS, а также типом
регистрируемого излучения;
в) высокая яркость свечения ТПИ со структурой GaAs:Cr-ZnS:Cu
обусловлена существенной величиной модуляции проводимости и низкой
темновой электропроводимостью фоточувствительного слоя характерных для
структур
GaAs,
компенсированных
атомами
Cr
в
процессе
высокотемпературного диффузионного отжига;
г) введение в люминофор ZnS атомов меди с массовой долей 0,2 %
обеспечивает высокую концентрацию центров свечения в люминофоре, что
объясняет рост яркости свечения без выхода на насыщение при повышении
напряжениях в интервале 50–250 В для прямоугольных импульсов и
гармонического сигнала в диапазоне частот 200-2000 Гц;
17
д) яркость свечения и квантовая эффективность твердотельных
преобразователей изображений на основе структур GaAs:Cr-ZnS:Cu
определяются в большей степени не глубиной модуляции проводимости
фотопроводника, а характеристиками детектируемого ионизирующего
излучения. В случае неоднородной генерации неравновесных электроннодырочных пар, при поглощении излучения у катода, квантовая эффективность
ТПИ выше;
е) проведенные расчеты эквивалентной схемы замещения ТПИ
позволили разработать методологию оценки свойств и вычисления
характеристик твердотельных преобразователей изображения со структурой
Me-GaAs:Cr-ZnS:Cu-Me в зависимости от энергии квантов и мощности
экспозиционной дозы рентгеновского излучения, в которой учтены
электрофизические свойства фотопроводника и электролюминофора;
ж) исследование закономерностей влияния режимов работы ТПИ
(амплитуда напряжения, частота, полярность) на яркость свечения структур
полупроводник-люминофор в зависимости от мощности экспозиционной дозы
ионизирующего излучения показало соответствие экспериментальных
характеристик с расчетными данными;
з)
установлено,
что
неоднородности
свечения
поверхности
твердотельного преобразователя изображений, зафиксированные ПЗС-камерой
во время облучения со стороны люминесцентного слоя, связаны с наличием
дислокационной сетки в образцах SI-GaAs:Cr.
18
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
1 Калыгина В.М., Тяжев А.В., Яскевич Т.М. Твердотельные
преобразователи изображения для регистрации рентгеновского излучения //
Известия высших учебных заведений. Физика. – 2008. – Т.51. – № 9/3. – С. 4849. – 2/0,3 п.л.
2 Калыгина В.М., Тяжев А.В., Яскевич Т.М. Твердотельные
преобразователи изображения на основе структур GaAs/ZnS // Физика и
техника полупроводников. – 2009. – Т. 43. – № 7. – С. 975-979. – 5/0,3 п.л.
3 Оценка концентрации хрома в высокоомном GaAs:Cr, создаваемом
диффузией / Д.Л. Будницкий, В.А. Новиков, О.П. Толбанов, Т.М. Яскевич //
Известия высших учебных заведений. Физика. – 2011. – Т.54. – № 2. – С. 100102. – 3/0,2 п.л.
4 Фотовольтаический эффект в контакте металл – высокоомный
GaAs:Cr / Д.Л. Будницкий, В.А. Новиков, И.А. Прудаев, О.П. Толбанов, Т.М.
Яскевич // Известия высших учебных заведений. Физика.. – 2012. – Т.55. – №
7. – С. 19-22. – 4/0,2 п.л.
5 Свойства структур Ga2O3-GaAs в видимом и УФ диапазонах / А.Н.
Зарубин, В.В. Вишникина, В.М. Калыгина, Ю.С. Петрова, И.А. Прудаев, М.С.
Скакунов, О.П. Толбанов, А.В. Тяжев, Т.М. Яскевич // Известия высших
учебных заведений. Физика. 2013. – Т. 56. – № 8/3– С. 181-184. – 4/0,2 п.л.
6 Физические основы работы электролюминесцентных конденсаторов:
учебно-методическое пособие / Сост.: В.М. Калыгина, Т.М. Яскевич. – Томск:
Томский госуниверситет, 2009. – 46 с.
7 Яскевич Т.М., Прудаев И.А. Диффузия Fe в GaAs при давлении
диссоциации // Сборник материалов X Российской научной студенческой
конференции. – Томск: Томский государственный университет, 2006. – С. 243245.
8 Яскевич Т.М., Прудаев И.А., Скакунов М.С. Получение

диффузионной n      n структуры двойным легированием GaAs примесью
Fe и S // Сборник трудов 3-й и 4-й конференций студенческого научноисследовательского инкубатора. – Томск: Томский государственный
университет, 2007. – С. 15-17.
9 Яскевич
Т.М.,
Тяжев
А.В.
Яркостные
характеристики
электролюминесцентных конденсаторов на основе ZnS:Сu,Al // XIV
Международной научно-практической конференции студентов и молодых
ученых «Современные техника и технологии»: Сборник трудов в 3-х томах. Т.
19
1. – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2008 – С. 226228.
10 Яскевич Т.М., Тяжев А.В. Яркостные характеристики тонкопленочных
структур на основе ZnS:Сu,Al // Материалы III (XXXV) Международной
научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых
«Образование, наука, инновации – вклад молодых исследователей»: Сборник
трудов. – Кемерово: Кемеровский государственный университет, 2008 – С.
522-524.
11 Яскевич Т.М., Тяжев А.В. Исследование оптических и электрических
характеристик электролюминесцентных конденсаторов на основе ZnS:Cu,Al //
Материалы XLVI Международной научной студенческой конференции
«Студент и научно-технический прогресс»: Физика. – Новосибирск:
Новосибирский государственный университет, 2008. – С. 178-179.
12 Яскевич Т.М., Тяжев А.В. Характеристики тонкопленочных
электролюминесцентных структур на основе ZnS:Cu,Al // Сборник материалов
XI Российской научной студенческой конференции «Физика твердого тела». –
Томск: Томский государственный университет, 2008. – С. 246-249.
13 Калыгина В.М., Тяжев А.В., Яскевич Т.М.
Твердотельные
преобразователи изображения на основе структур GaAs/ZnS // Сборник трудов
VI Международной конференции «Аморфные и микрокристаллические
полупроводники».
–
Санкт-Петербург:
Изд-во
Политехнического
университета, 2008. – С. 275-276.
14 Kalygina V.M., Tyahzev A.V., Yaskevich T.M. X-ray Image Converter
Based on GaAs-ZnS Structures // International Siberian Conference on Control and
Communications (SIBCON-2009). Proceedings. – Tomsk: The Tomsk IEEE
Chapter & Student Branch. Russia, Tomsk, 2009. – P. 174-179.
15 Яркостные характеристики твердотельного преобразователя ИКизображения на основе структуры GaAs:Cr/ZnS:(Cu,Al) / Маджидов О.Ю.,
Яскевич Т.М., Толбанов О.П. // Сборник I Международной заочной научнопрактической конференции «Инновации в современном мире»: Научные итоги
2011 года: достижения, проекты, гипотезы материалов в 2-х частях. Часть 1/
Под общ. ред. С.С. Чернова - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2011. – С. 312-315.
16 Yaskevich T.M. GaAs Radiation Imaging Detectors for nondestructive
Testing, Medical, and Biological Applications // The 28th ISTC – Korea Ulsan
Workshop «Advanced Materials and Application». Opend R&BD Innovation by
20
Inter-collaboration between Tomsk–Russia and Ulsan–Korea. Proceedings. – Ulsan
Technopark, Korea, May 14-16, 2012. – P. 64-68.
17 Яскевич Т.М. Детекторы рентгеновского излучения с оптическим
выводом информации // Материалы международной молодежной научной
школы «Актуальные проблемы радиофизики». – 2012. – С. 104-106.
СПИСОК ЦИТИРУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1 Новое поколение рентгеновского излучения на пиксельных матрицах / В.
Мурашев, В. Удалов, О. Орлов // Электроника: НТБ. – 2006. – № 1. – С. 31-34.
2 Блинов Н.Н., Варшавский Ю.В. Состояние и перспективы развития
аппаратуры для лучевой диагностики в Российской Федерации // Медтехника
и медизделия. – 2004. – Т. 21. – № 4. – С. 24-27.
3 Kohashi T. A new solid-state X-ray image converter // Proceedings of the
IEEE. – 1963. – V. 51. – Is.12. – P. 1794-1795.
4 А Solid-state Infrared Image Converter / Tadao Kohashi, Tadao Nakamura,
Shigeaki Nakamura, Koh-Ichi Miyaji// IEEE Transactions on electron devices/ –
1972. –V. 19. – № 1. – P. 98-103.
5 Фок М.В. Теория электролюминесцентных преобразователей
изображения – М.: Советское радио, 1961. - 52 с.
6 DC-controlled solid-state X-ray image converter / T. Kohashi, K. Tanaka, N.
Suzuki, Y. Machida // IEEE Transactions on Electron Devices. – 1972. – V. 19. – Is.
2. – P. 234-238.
7 Oguro T. Development of the computed electroradiography. Trial
manufacture of digital imaging system // Kanagawa Shigaku. – 1990. – Jun. – Iss.
25(1). – P. 1-10.
8 Feasibility study of a multi-layer liquid-crystal-based non-pixel X-ray detector
/ S.H. Kim, J.W. Shin, K.M. Oh, B.Y. Cha, S.K. Park and S.H. Nam // 13th
International workshop on radiation imaging detectors,3-7 July. 2011. – ETH
Zurich, Switzerland. – 2012. – Is. 2. – IOP Publishing Ltd and SISSA. –
doi:10.1088/1748-0221/7/02/C02030. – Р.1-8.
9 Radiation detector based on liquid crystal light valve for large-area imaging
applications / S. Kang, J. Park, B. Cha, et.al. // Nuclear Instruments and Methods in
Physics Research A. – 2007. – V. 576. – P. 83–86.
10 Борошнев А.В., Ковтонюк Н.Ф. Пространственно-временные
модуляторы света на основе структур металл–диэлектрик–полупроводник–
жидкий кристалл // Прикладная физика. – 2000. – № 6. – С. 5-10.
21
11 Электролюминесцентный преобразователь изображения и оптимизация
его параметров / Скородумов И.А., Андреев А.И., Кокин С.М. // Труды
Девятой международной научно-технической конференции Актуальные
проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники. Оптоэлектроника
Часть 2.
12 Применение твердотельных преобразователей изображения в технике
ночного видения./ Волков В.Г., Кощавцев Н.Ф., Ледейкин В.И., Чапнин В.А. //
Прикладная физика. – 1999. – № 2. Тематический номер журнала по
материалам 15-й Международной научно-технической конференции по
фотоэлектронике, электронным и ионно-плазменным технологиям.
22
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
1
Размер файла
845 Кб
Теги
uploaded, 0c5a09910c
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа