На правах рукописи

Кацоев Леонид Витальевич

РАЗРАБОТКА БАЗОВЫХ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ СТРУКТУР ДЛЯ

ДЕТЕКТОРНОГО МОДУЛЯ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ

Специальность: 01.04.10 – физика полупроводников

Автореферат

диссертация на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Москва – 2008

Работа выполнена на кафедре квантовой физики и наноэлектроники Московского государственного института электронной техники (технического университета)

Научный руководитель:

д. ф.-м. н., профессор Ильичев Эдуард Анатольевич

Официальные оппоненты:

д. ф.-м. н. Воробьев Александр Павлович к. ф.-м. н. Негодаев Михаил Александрович

Ведущая организация Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН

Защита состоится «_»_2008 г. в _часов на заседании диссертационного совета Д212.134.01 при Московском государственном институте электронной техники (техническом университете) по адресу:

124498, г. Москва, Зеленоград, проезд 4806, д. 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного института электронной техники (ТУ).

Автореферат разослан «_»_2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук Крупкина Т.Ю.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы В настоящее время на отечественных и зарубежных рынках доминирующим исходным материалом для производства твердотельных детекторов является высокоомный кремний. Из ряда зарубежных фирм, занимающихся изготовлением и продажей кремниевых датчиков подобного типа, следует упомянуть: японскую фирму «Hamamatzu» c объемом продаж порядка 20 млн. долларов в год, а также европейские фирмы «Artec» и «Сember» с объемом продаж ~ 4 млн. долларов в год.

Однако, бурное развитие ядерных технологий и физики частиц высоких энергий, а также возрастающая актуальность задач, связанных с загрязнением радиоактивными нуклидами природных газов и жидких сред диктуют необходимость поиска альтернативных кремнию материалов с повышенной радиационной и термостойкостью.

Различными исследовательскими группами и коммерческими фирмами проводятся интенсивные разработки детекторов ионизирующих излучений на альтернативных кремнию материалах. Ниже, в таблице приведены сравнительные характеристики, достигнутые для ряда наиболее перспективных материалов.

Таблица. Сравнительные характеристики альтернативных детекторов.

Энергетическое Средний уровень цен Диапазон работы по спектрометров на основе мощности дозы разрешение, гамма излучения, (в диапазоне 0,5- указанных детекторов, Параметры (***) они, как показали комплексные исследования, с необходимостью использования полуизолирующего материала, который в арсенидгаллиевой технологии изготавливается только посредством компенсации значительной концентрации фоновой примеси (~1015 см-3) в процессе роста полуизолирующих GaAs слитков глубокими энергетическими центрами. Следствием этого являются высокий уровень генерационно-рекомбинационных шумов и значительность токов утечки барьерных контактов (до 100нА/ячейку). Это ухудшает порог чувствительности и создает значительные трудности при попытках использования данных детекторов для решения спектрометрических задач.

полуизолирующего GaAs, часть исследователей (группы под руководством А.П. Воробьева – ИФВЭ, Протвино и Г.И. Айзенштата – НИИПП, Томск) использует технологически трудоемкий подход получения полуизолирующего GaAs материала, связанный с точной компенсацией хромом и его оксидами глубоких энергетических центров донорного типа (например, EL2).

Другой подход основан на процедурах геттерирования атомами иттербия примеси в полуизолирующем GaAs материале (группы под руководством А.Т. Гореленкова – ФТИ, С.Петербург и Э.А. Ильичева – НИИФП, Зеленоград), а также (в случае детектирования тяжелых частиц) на использовании эпитаксиального «чистого» GaAs материала (гр. Э.А.

Ильичева – НИИФП, Зеленоград и Ю.Н. Свешникова – ОАО ЭлмаМалахит, Зеленоград). В частности, в детекторных ячейках выполненных на основе эпитаксиальных чистых слоев GaAs (толщина слоя 30 мкм, концентрация фоновой примеси 1013 см-3) при детектировании -частиц с энергией ~ 5 МэВ удается реализовать энергетическое разрешение ~ кэВ и эквивалентные энергетические шумы < 9 кэВ, что практически соответствует предельным результатам, достигнутым на высокоомных специализированных кремниевых материалах (10 кэВ и 5 кэВ, соответственно). При этом по температурным характеристикам (область устойчивой работы 4…400К) GaAs детекторы на структурах, содержащих «чистые» арсенидгаллиевые слои, существенно превышают характеристики, достигнутые на компенсированных GaAs материалах и кремниевых аналогах (80…330К). Однако для регистрации частиц и квантов больших энергий требуются достаточно толстые (более 150… мкм) и «чистые» GaAs слои, что, даже при сегодняшнем уровне развития ростовых технологий в индустриально развитых странах мира технологически трудно выполнимо.

При детектировании частиц (квантов) более высоких энергий (более 10 ГэВ) в силу малых значений сечений их взаимодействия даже с полупроводниковыми материалами высокой плотности, возникают проблемы регистрации потоков малой плотности.

Целью настоящей работы является разработка на основе радиационно- и термостойких материалов (GaAs и алмаз) базовых функциональных структур для детектора ионизирующих излучений в составе умножителя потока электронов и собственно детектора.

1. Результаты исследований и анализа процессов детектирования высокоэнергетических электронов и -квантов детектором на основе полуизолирующего арсенида галлия, позволившие установить связь параметров детекторов с характеристиками 2. Полевые и температурные зависимости проводимости в полуизолирующих слоях GaAs детекторного материала, объясняющие причины недопустимо высоких токов утечки и неоднородности рабочих характеристик детекторных ячеек в плоскости пластины.

3. Получены ранее неизвестные данные о влиянии иттербия на транспортные и спектрометрические характеристики полуизолирующего GaAs материала, геттерированного иттербием по технологии, разработанной в ФТИ им. Ф.А.Иоффе группой А.Т. Гореленка.

4. Физико-математическая модель процессов взаимодействия тяжелых заряженных частиц с материалом приемной области полупроводникового детектора ионизирующего излучения, учитывающая генерационно-рекомбинационные процессы в материале.

5. Конструкция детекторного модуля на основе базовых функциональных структур в составе умножителя потока электронов и собственно детектора.

1. Разработанная физико-математическая модель процессов взаимодействия тяжелых заряженных частиц с материалом приемной области полупроводникового детектора ионизирующих излучений в условиях наличия процессов рекомбинации, позволяет оптимизировать материал под задачи детектирования -частиц.

2. Результаты исследований процессов детектирования электронов позволяют оптимизировать полуизолирующий материал и геометрию приемной области GaAs детектора для выполнения конкретных задач, связанных с детектированием высокоэнергетических электронов.

3. Исследование процессов геттерирования иттербием примеси в полуизолирующем GaAs материале позволяет на два порядка уменьшить токи утечки в детекторах резистивных и барьерных конструкций.

4. Исследования умножителей потока электронов на основе алмазных пленок позволили оптимизировать технологию их получения, структуру и геометрию.

Основные результаты диссертационной работы были доложены на следующих конференциях:

XII Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика – 2005», Москва, МИЭТ XIII Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика – 2006», Москва, МИЭТ Всероссийская научно-техническая конференция «Новые материалы и технологии» - НМТ-2006, МАТИ им. К.Э. Циолковского XIV Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика – 2007», Москва, МИЭТ Научная сеcсия МИФИ- XV Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика – 2008», Москва, МИЭТ 51-я научная конференция МФТИ, а также в выступлениях на семинарах в Гос. НИИФП им. Ф.В. Лукина По теме диссертационных исследований опубликовано 12 печатных работ, получено 1 авторское свидетельство, и 2 патента РФ.

Диссертация состоит из 5 глав и Заключения, изложенных на страницах машинописного текста, и иллюстрируется 37 рисунками и таблицами. Список литературы по теме диссертации содержит наименований.

1. Физико-математическая модель, описывает взаимодействие альфа частиц с активной областью детектора и устанавливает связь выходного тока с определяющими параметрами материала и геометрией детектора; отличительной особенностью модели является учет генерационно-рекомбинационных процессов в активной области детектора.

2. Геттерирование примеси иттербием в полуизолирующем арсениде галлия позволяет на 1,5-2 порядка уменьшить его темновые токи и токи утечки обратно смещенных барьерных контактов металл/SI 3. Оптимальная конструкция умножителя потока электронов на основе алмазных пленок, разработанная на основе модельных представлений, с учетом кинетики вылета вторичных электронов.

4. Пакет программ, входными параметрами которых являются плотность, зарядовое число и атомный вес рассматриваемого материала, позволяет рассчитать и оптимизировать структуры собственно детектора и детекторного модуля.

5. Результаты моделирования конструкции твердотельного детекторного модуля для регистрации частиц и квантов высоких энергий (до 1 ГэВ), в составе «замедлителя» на основе тяжелых микроструктурированных алмазных пленок, и, собственно, детектора на основе полуизолирующего GaAs, примесь в котором геттерирована иттербием.

В первой главе обосновывается актуальность темы диссертационной работы, определены цели и задачи исследования, сформулированы положения, выносимые на защиту, научная новизна и практическая ценность результатов.

Актуальность обосновывается через анализ состояния и тенденций в развитии детекторов и детекторных систем на арсениде галлия.

Обосновывается необходимость модификации исходного полуизолирующего материала с целью увеличения времени жизни неравновесных носителей в объеме полуизолирующего арсенидгаллиевого материала и уменьшения токов утечки барьерных детекторных структур на его основе.

По результатам анализа сформулированы цели и задачи по ее достижению.

В первой главе, для удобства восприятия, представлены также основные положения, выносимые на защиту, научная новизна и практическая ценность результатов работы.

электрофизические исследования объемных свойств исходных подложек SI-GaAs и подложек обработанных иттербием, а также барьерных контактов к ним. Выполнены спектрометрические исследования глубоких энергетических центров в указанных материалах, а также изучены спектрометрические характеристики взаимодействий -частиц с твердотельными детекторами на основе полуизолирующего арсенида галлия и эпитаксиальных структур, содержащих слой с фоновой концентрацией < 5·1012см-3. Исследование глубоких энергетических уровней (ГЭЦ) в исходном и геттерированном материале проводилось методом релаксационной оптоэлектронной спектроскопией, описание которого представлено в настоящей работе. Помимо этого, исследовались транспортные характеристики электронов в полуизолирующем GaAs и в барьерных структур на его основе. В частности, экспериментально установлено, что функциональные зависимости ВАХ имеют вид где qФ = q эВ·см1/2·В-1/2, что соответствует полевому фактору для зависимости Френкеля-Пула.

Полученные результаты, с учетом величин энергий активации полученных из температурных зависимостей тока, позволяют определить энергии ГЭЦ, оказывающих доминирующее влияние на процессы транспорта электронов: E t = E акт + pF q резистивных и барьерных структурах в области рабочих напряжений проводимость ограничивается объемом полуизолирующего слоя.

Типичная энергетика (0,63…0,82 эВ) и концентрация (~1015см-3) ловушек, при выявленном механизме транспорта, объясняет недопустимо высокие токи утечки в детекторных ячейках на основе полуизолирующего GaAs.

Значительная неоднородность в плоскости пластины объясняется неоднородность распределения ловушек по слитку (на протяжении слитка разница в легировании достигает одного порядка).

Полученные результаты находятся в полном соответствии с данными, полученными в исследованиях подложек из полуизолирующего GaAs посредством методов релаксационной оптоэлектронной спектроскопии и нелинейной оптической диагностики.

Экспериментально показано, что различного типа детекторные GaAs структуры представляют интерес, в том числе и для решения спектрометрических задач. В частности, в детекторных ячейках, выполненных на основе эпитаксиальных чистых слоев GaAs (толщина слоя 30 мкм, концентрация фоновой примеси 1013 см-3), при детектировании -частиц с энергией ~ 5 МэВ удается реализовать энергетическое разрешение ~ 15 кэВ и эквивалентные энергетические шумы < 9 кэВ, что практически соответствует результатам, достигнутым на высокоомных специализированных кремниевых материалах (10 кэВ и кэВ, соответственно). При этом по температурным характеристикам (область устойчивой работы 4…400К) GaAs детекторы на структурах, содержащих «чистые» арсенидгаллиевые слои, существенно превышают характеристики, достигнутые на компенсированных GaAs материалах и кремниевых аналогах (80…340К). Достичь этого удалось за счет разработки технологии получения «чистых» (с малым уровнем фоновой примеси) слоев GaAs для приемных областей детектора.

Результаты исследований исходных GaAs пластин, обработанных лантаноидами, указывают на реальную возможность эффективного уменьшения концентрации ГЭЦ в SI-GaAS без существенного увеличения проводимости материала. Геттерирование иттербием исходных полуизолирующих пластин GaAs позволило понизить концентрацию неконтролируемой фоновой примеси до уровня 1012 см-3 и подавить токи утечки на 1.5-2 порядка (0,3…1,0 нА/ячейку). Это дает возможность получения высокоомного детекторного материала, эффективного для использования в качестве регистрирующего (приемного) слоя в структурах детекторов ионизирующих излучений.

Здесь же представлена разработанная физико-математическая модель процессов взаимодействия тяжелых заряженных частиц с материалом приемной области полупроводникового детектора, учитывающая генерационно-рекомбинационные процессы в SI-GaAs. Установлена связь выходного тока детектора с определяющими параметрами материала и геометрией детектора.

Решение дифференциального уравнения Бете для ионизационных потерь позволяет определить полные потери энергии тяжелой заряженной частицы, и решить задачу 100% сбора носителей заряда только при условии полного обеднения приемной области детектора. Подход Бете преследует фундаментальную цель – подробное выяснение поведения регистрируемой частицы, в частности, вычисление ее энергетических потерь. В предложенной нами модели описывается кинетика неравновесных носителей, порождаемых первичным ионизирующим излучением в приемной области детектора. Таким образом, мы сосредотачиваем внимание на условиях выноса неравновесных носителей из слоя, регистрирующего излучение.

Отличительной особенностью предложенной модели является то, что процесс образования вторичных электронов можно рассматривать как рассеяние тяжелой заряженной частицы на свободном электроне.

Эффективное сечение для ионизации атома с испусканием электрона с энергией в заданном энергетическом интервале обратно пропорционально квадрату энергии, что означает, что большая часть электронов выбивается с малой энергией под углом, близким к 2.

Область выноса электронов определяется дрейфовой длиной носителя во внешнем электрическом поле (длина дрейфа l dr = Vdr, Vdr = E дрейфовая скорость носителя, - время жизни носителя).

Учитывая тот факт, что большая часть вторичных частиц испускается под большими углами к траектории тяжелой частицы, определено количество вынесенных во внешнюю электрическую цепь электронноx дырочных пар:

зависящая от параметров среды приемной области детектора и характеристик регистрируемой альфа частицы. При этом, функциональная зависимость E (x), входящая в подынтегральное выражение (1), устанавливалась для конкретного случая, например, с использованием вычислительных средств программного модуля Simulink пакета Matlab. Знание концентрационной зависимости количества образованных пар электрон-дырка от пройденного регистрируемой частицей пути позволяет учитывать рекомбинационные потери в случае неполного обеднения активной области.

Электроны, находящиеся вне области выноса, за время жизни не успевают достигнуть электродов внешней цепи и рекомбинируют в чувствительной области детектора. Это и есть неизбежные потери на рекомбинацию. Таким образом, рассматриваемая модель позволяет учесть рекомбинационный канал потерь. Учитывая ограничение вероятности выноса электронов во внешнюю цепь рекомбинационными процессами, оптимизация толщины активной области детектора может быть найдено из условия: d ( N e h ) dx = 0. Точка перехода зависимости N = N (x) на плато означает конец ее ионизирующей способности, несмотря на то, что она обладает еще сравнительно высокой энергией, в нашем случае ~1МэВ. Растрата остаточной энергии частицы имеет диссипативный характер. Поэтому оптимальная толщина приемного слоя определяется участком, на котором внешний агент вызывает ионизирующие действие.

Без учета логарифмической зависимости для удельных энергетических потерь получено аналитическое выражение для оптимальной геометрии детекторной ячейки, определяемое длиной пробега частицы.

В работе представлены результаты численных расчетов (с использованием пакета Matlab) оптимальных толщин активной области арсенидгаллиевого детектора при регистрации -частиц с начальной энергией, изменяющейся в диапозоне 5…50 МэВ. Данная модель позволяет также определить оптимальные величины рабочих напряжений (при которых происходит ~100% сбор носителей заряда), прикладываемых к детектору. Для фоновых концентраций примесей в активных областях барьерных GaAs детекторах на уровне 5·1012…5·1013см-3, в соответствии с развитыми представлениями, получена зависимость оптимальных напряжений обеднения от значения энергии детектируемых -частиц.

В частности, при начальной энергии -частицы равной 5 МэВ оптимальная толщина детектирующего слоя составит ~23 мкм; при фоновой концентрации 5·1013см-3 величина напряжения обеднения составит ~23 В, а при концентрации ~5·1012см-3 - напряжение полного обеднения не превысит 3 В.

Таким образом, предложенная модель позволяет вычислить количество вынесенных во внешнюю цепь электронов путем интегрирования в рамках геометрии области выноса, а именно временами жизни носителей в зонах непрерывных состояний, зависящих в свою очередь от стационарных концентраций носителей в зонах в условиях сильного обеднения. При таком подходе модель позволяет решить не только задачу ~ 100% сбора носителей заряда во внешнюю электрическую цепь, но и решить более общую задачу - установить количественную связь величины выходного тока от напряжения обеднения и от толщины активной области детектора.

Третья глава диссертации посвящена теоретическому исследованию процессов детектирования высокоэнергетических электронов твердотельными детекторами на основе арсенида галлия.

Для измерения энергии может использоваться множество различных детекторов. Например, энергию рентгеновских фотонов можно определить с помощью пропорциональных счетчиков. Любое устройство, полностью поглощающее налетающую частицу, одновременно измеряет ее энергию, если она выделяется в чувствительном объеме детектора. При высоких энергиях (1ГэВ) используются калориметрические методы; в зависимости от типа частицы это происходит в электромагнитных калориметрах для фотонов и электронов и в адронных калориметрах для сильно взаимодействующих частиц.

Решение задач, связанных с позиционированием и спектрометрией пучка высокоэнергетических микрочастиц осуществляют, изучая потери энергии при прохождении первичными частицами (квантами) объема приемных пикселов твердотельных матричных детекторов. В связи с этим, в начале главы рассмотрены теоретические представления об основных электромагнитных взаимодействиях высокоэнергетических электронов с веществом: потери энергии электронами при их соударениях с атомными электронами (ионизационные потери), образование квантов при их прохождении через электрическое поле ядра (радиационные потери, или тормозное излучение), фотоэффект, эффект Комптона и рождение электронно-позитронных пар.

Критериями эффективности материала и детектора на его основе, работающего по схеме регистрации фототока, служат коэффициент фотоусиления и его стабильность во времени. Величина коэффициента усиления определяется эффективностью преобразования частицы (квант) в неравновесные электронно-дырочные пары и эффективностью последующего их считывания во внешнюю регистрирующую цепь. В связи с этим проведен анализ основных механизмов потерь энергии микрочастицей (-квантами) и выполнены оценки преобразующих характеристик арсенида галлия в качестве материала для активных областей детекторов. В этой связи выполнены расчеты удельных энергетических потерь и сечений основных процессов взаимодействия частиц и -квантов с твердотельными матрицами с учетом вторичных процессов преобразования -квантов в неравновесные электроннодырочные пары. Представленные количественные результаты получены на базе теории ионизационных потерь и квантовой теории излучения, разработанных, в основном, Г. Бете и В. Гайтлером.

Результаты исследований показали, что по критерию эффективности преобразования арсенид галлия является наиболее предпочтительным из альтернативного ряда материалов.

Здесь же представлена физико-математическая модель регистрации GaAs-детекторами электронов с энергиями, лежащими в диапазоне 1кэВ…10МэВ, при которых эффектами первого порядка являются ионизационные процессы, приводящие к образованию в веществе электронно-дырочных пар. На основе изложенных в ней представлений удается воссоздать общую картину прохождения быстрых электронов через вещество и сделать ряд существенных выводов. В частности, модель позволяет определить средние величины кинетических характеристик вторичных электронов, например, их энергию. Полученные полуколичественные оценки позволяют придать физическую (интуитивную) наглядность явлениям, связанным с прохождением частиц больших энергий через вещество.

Показано, что для регистрации частиц и квантов с энергиями, превышающими десятки гигаэлектронвольт необходимо конструировать многокаскадные конструкции, в составе «замедлителя» на основе пластин из тяжелых металлов, умножителя потока вторичных электронов и собственно детектора.

В четвертой главе диссертационной работы приведены экспериментальные исследования вторичной эмиссии электронов умножителями на основе микроструктурированных алмазных пленок.

Описана технология изготовления мембран на основе алмазных пленок, в том числе и пористых. Представлено описание измерительного стенда для изучения особенностей вторичной и холодной эмиссий электронов из эмитирующих сред.

Представлены результаты экспериментальных исследований вторичной электронной эмиссии (ВЭЭ) из сплошных алмазных пленок в режиме «на отражения» и «на просвет». Показано, что в режиме «на отражение» коэффициент ВЭЭ в сплошных пленках достигает максимума при энергиях первичных электронов 800-900 эВ. При этом величина коэффициента ВЭЭ находится в диапазоне 5-20. В схеме «на просвет»

максимум коэффициента ВЭЭ сдвигается в область 25-35 кэВ, а его величина не превышает 4…5. Многочисленные измерения для пленок с различными режимами обработки поверхности показали, что в диапазоне энергий первичного пучка электронов 0,5…30,0 кэВ, энергия вторичных электронов, не превышает 3…5 эВ.

Для улучшения эмиссионных свойств алмазных мембран при работе в режиме «на просвет» предложена конструкция с использованием микроструктурированных пленок. Показано, что при этом в режиме «на отражение» коэффициент ВЭЭ превышает 100. Выполнены исследования влияния состояния поверхности (ее отжиг в атмосфере водорода, либо цезирование) на эффективность выхода вторичных электронов с поверхности алмазных пленок. В частности, осаждение на поверхность пленки наноразмерных слоев цезия увеличивало выход вторичных электронов микроструктурированных образцов еще в 2-3 раза.

высокоэнергетических электронов с микроструктурированной пленкой умножителя, протекающих в умножителе потока электронов, оптимизирована его геометрия. В частности, обоснована эффективность геометрии умножителя в виде сетчатых мембран и показано, что оптимальный период сетки не должен превышать значений 2-х диффузионных длин. Так же проверена справедливость полученной зависимости для энергии вторичных электронов от энергии первичного пучка.

Пятая глава диссертации посвящена анализу конструкции многосекционного детекторного модуля, каждая из секций которого, по необходимости, может включать замедлитель на основе пластины из вольфрама, умножитель потока электронов на основе микроструктурированных алмазных пленок, и собственно детектор на основе SI-GaAs, фоновая примесь в котором геттерирована иттербием.

Таким образом, детектирующий модуль представляет собой набор определенным образом ориентированных функциональных структур.

Сегменты из вольфрама являются средой, преобразующей первичные высокоэнергетические частицы в -кванты и вторичные частицы, а в качестве активной среды модуля выступают детектирующие излучение арсенидгаллиевые структуры и, умножающие поток электронов, структуры на основе алмазных сеток. При этом сигналы снимаются независимо (параллельно) с детектирующей структуры каждой секции.

Сбор и обработка сигналов позволит решить задачу регистрации и спектрометрии высокоэнергетических частиц. Одним из основных требований к детектирующему модулю является необходимость его нормального непрерывного функционирования в технологической зоне с высоким радиационным фоном (до 10 MГр/год) в течение нескольких лет.

Рассмотрены функции каждого из перечисленных узлов модуля и на примере частного случая рассчитана конструкция устройства в целом.

Моделирование конструкции детекторного модуля выполнено на основе изложенной здесь же модели параметризации электромагнитного ливня, развивающегося в процессе прохождения электронов высокой энергии через вещество. Здесь же рассмотрены и количественно оценены процессы регистрации продуктов каскадного ливня с учетом вторичных и третичных процессов рассеяния (образования комптоновских электронов и электронно-позитронных пар и их последующим рассеянием и поглощением соответственно). Показано, что суммарная толщина слоя «замедлителя» составит ~ 31 мм, а детектирующего GaAs слоя ~ 17 мм.

Следовательно, для полного поглощения электрона с первоначальной энергией 100 ГэВ, необходимо ~ 50 базовых ячеек указанного модуля (при толщине вольфрамого и детектирующего слоя ~1мм). Для конкретного случая и показано что, каскады умножителя целесообразно включать в низкоэнергетические секции модуля – там, где энергия пучка снижена до десятков кэВ.

Описана возможность практической модификации представленного выше гибридного устройства в составе замедлителя, умножителя и собственно детектора, посредством интеграции на одном кристалле умножителя потока электронов и детектора.

В Заключении кратко представлены результаты работы, сформулированы ее основные положения.

1. Разработана физико-математическая модель, описывающая взаимодействие альфа частиц с активной областью детектора и учитывающая генерационно-рекомбинационные процессы в приемном слое. По результатам расчетов оптимизирована конструкция детектора -частиц.

высокоэнергетических электронов с SI-GaAs. В результате получены соотношения связывающие рабочие характеристики детекторов с параметрами материалов и детектируемого пучка электронов.

3. Исследованы процессы геттерирования примеси иттербием в полуизолирующем арсениде галлия и изучено их влияние на характеристики детекторов; выработаны рекомендации по режимам геттерирования.

4. Исследованы характеристики умножителя потока электронов на основе алмазных пленок и, с учетом особенностей параметров рождения вторичных электронов, оптимизирована их конструкция.

5. Предложена конструкция твердотельного детекторного модуля для детектирования частиц и квантов высоких энергий, в составе умножителя потока электронов на основе микроструктурированных пленок поликристаллического алмаза, а также собственно детектора на основе полуизолирующего GaAs геттерированного иттербием;

для случая высоких энергий первичных потоков (малых сечений взаимодействий) рассмотрена возможность использования в секциях модуля слоев «замедлителей».

6. Разработан пакет программ для расчета и оптимизации структуры детектора и детекторного модуля.

Основные результаты опубликованы в следующих работах 1. Кацоев В. В., Кацоев Л. В., Болотов И. Н. «Особенности разработки арсенидгаллиевых детекторов ионизирующих излучений», XII Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика – 2005», Тезисы докладов, стр. 21, Москва, 2005.

2. Кацоев Л. В. «Разработка конструкции твердотельных детекторов на основе арсенида галлия», XIII Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика – 2006», Тезисы докладов, стр. 11, Москва, 2006.

3. Гореленок А.Т., Томасов А.А., Шмидт Н.М., Ильичев Э.А., Лантратов В.М., Задиранов Ю.М., Брунков П.Н., Титкова О.В., Калюжный Н.А., Минтаров С.А., Мдивани В.Н., Кацоев В.В., Кацоев Л.В., Шмелев С.С. P-i-n-структуры на основе высокоомного геттерированного арсенида галлия для детекторов alpha –частиц. // Письма в ЖТФ. Т. 32. В. 22, С. 64-69.

4. Кацоев Л.В. «Исследование влияния электрофизических характеристик арсенидгаллиевых структур на выходные параметры детекторов ионизирующих излучений», Всероссийская научнотехническая конференция «Новые материалы и технологии»-НМТТезисы докладов, стр. 33, Москва, 5. Кацоев Л.В. «Оптимизация геометрических параметров арсенидгаллиевых детекторов ионизирующих излучений», XIV Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика – 2007», Тезисы докладов, стр. 9, Москва, 2007.

6. Кацоев Л.В., Ильичев Э.А. «Детекторные модули ионизирующих излучений», Сб. научных трудов «Нанотехнологии в электронике», стр.105-112, Москва, 2007.

7. Горбацевич А.А., Егоркин В.И., Ильичев Э.А., Кацоев В,В., Кацоев Л.В., Полторацкий Э.А., Ревенко В.Г., Шмелев С.С.

Твердотельный детектор ионизирующих излучений. Патент №2307425, 27.09.07.

8. Горбацевич А.А., Егоркин В.И., Ильичев Э.А., Кацоев В,В., Кацоев Л.В., Полторацкий Э.А., Ревенко В.Г., Шмелев С.С.

Арсенидгаллиевый детектор ионизирующих излучений. Патент №2307426, 27.09.07.

9. Ильичев Э.А., Кацоев В.В., Кацоев Л.В. Авт. свид. №2007630011, приоритет от 26.12.2006., выдано 21.02.2007.

10. Кацоев Л.В., Кацоев В.В., Ильичев Э.А., Гореленок А.Т., Томасов А.А., Шмидт Н.М., Иванников А.Е., Федоров П.А. «Разработка детекторных модулей, включающих собственно детекторы на основе микро(нано)структурировнных алмазных пленок», Научная сеcсия МИФИ-2008, Тезисы докладов, Т.8, стр. 104-105.

11. Кацоев Л.В. «Разработка детекторных модулей ионизирующих излучений», XV Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика – 2008», Тезисы докладов, стр. 9, Москва, 2008.

12. Кацоев В.В., Кацоев Л.В. “Детекторные модули ионизирующих излучений для высокоэнергетических систем”, Труды 51-й научной конференции МФТИ «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук», Ч. V, cтр. 232-234, Москва, 2008.

Подписано в печать Заказ № Тираж 70 экз. Уч.-изд. Л. 1,2. Формат 6084 1/ Отпечатано в типографии ИПК МИЭТ.

124498, Москва, Зеленоград, МИЭТ (ТУ), проезд 4806, д.