Проекты

Краткое описание

В проекте предложена технология создания полупроводниковых детекторов рентгеновского излучения. Проведён анализ существующих технологий, а также рассмотрены перспективные направления исследований в этой области. Решена основная проблема для получения приборных структур, в частности получены толстые слои AlGaN, методом HVPE на гибридных подложках SiC/Si, которые применимы для создания рентгеновских детекторов. Следующим этапом для создания прибора является напыление металлических контактов к структуре и изучение их вольт-амперных характеристик. Реализация данной задачи позволит полностью обеспечить импортозамещение в России для таких областей науки и техники, как рентгенофлуоресцентный анализ и рентгеноструктурный анализ.

Цель

1. Целью проекта является создание прототипа рентгеновского детектора на основе системы материалов AlGaN, выращенной на гибридной структуре SiC/Si, с самоорганизованной периодичностью состава по толщине плёнки

Задачи

1. Вырастить структуру AlGaN/SiC/por-Si/Si
2. Разработать технологию получения металлических контактов к структуре AlGaN/SiC/por-Si/Si
3. Изучить способы травления слоёв AlGaN/SiC/por-Si/Si для получения контактных площадок
4. Провести напыление металлических контактов на исследуемую структуру и получить вольт-амперные характеристики переходов
5. Провести анализ отклика структуры на воздействие рентгеновского излучения

Обоснование социальной значимости

Современный анализ материалов, изделий и веществ природной среды связан с определением особенностей их взаимодействия с рентгеновским излучением. На сегодняшний день существуют различные методы анализа, специализирующиеся на определении содержания компонентов в веществе (РФА) и на изучении структуры кристаллических веществ (XRD). В приборах XRD и РФА используют несколько типов детекторов рентгеновского излучения, среди которых выделяют газовые пропорциональные счётчики и полупроводниковые структуры. К преимуществами первых можно отнести простоту изготовления и дешевизну компонентов. Однако, использование газовых счётчиков не позволяет достичь разрешения менее 100 эВ для линии FeKα, что необходимо для функционирования приборов РФА, предназначенных для измерения малой концентрации компонентов. Помимо этого полупроводниковые детекторы занимают малый объём в приборе и устойчивы к механическим воздействиям, что важно для портативных приборов, применяемых в геохимии.
Коммерчески доступные полупроводниковые детекторы основаны на поглощении рентгеновского излучения в объёмном монокристалле кремния высокой степени чистоты (содержание примесей в SDD менее 1012 [1]). Квант света возбуждает электрон-дырочные пары, что требует энергии порядка трёх ширин запрещённой зоны материала детектора. Функционирование прибора возможно в случае, если образованные носители обеспечивают в структуре ток, значительно превышающий темновой. Для решения данной задачи кристаллы Si охлаждают элементами Пельтье до температуры -60℃, что усложняет и удорожает итоговый продукт. Одним из путей уменьшения темнового тока является использование широкозонных полупроводников в активной зоне детектора, к которым относят SiC, GaN, AlN и др [2]. Наибольший интерес представляет GaN, так как плотность этого материала составляет 6.15 г/см3 против 2.13 г/см3 в случае Si, 3.2 г/см3для SiC и AlN. Чем выше плотность вещества, тем выше значение коэффициента поглощения рентгеновского излучения и тем меньшая толщина слоёв требуется для создания детектора. Например, для энергии FeKα (6.4 кэВ) глубина проникновения излучения составляет 17 мкм для GaN и 37 мкм для Si. Классические детекторы на Si имеют толщину порядка 300 мкм, однако для детекторов слабого рентгеновского излучения могут быть использованы тонкие плёнки широкозонных материалов, для которых глубина проникновения ниже.
Опубликован ряд работ по созданию рентгеновских детекторов на основе GaN, в которых использованы как объёмные монокристаллы GaN, так и GaN на инородных подложках [3,4,5,6]. Рассмотрены варианты структур металл/полупроводник/металл с двумя контактами Ti/Al [3]. Обнаружено, что при превышении расстояния между контактами более 10 мкм фототок при облучении CuKα (8.04 кэВ) почти полностью пропадает, что связано с экранированием поля на примесях в объёме UID-GaN. Активная область с высоким значением напряжённости поля находится в пределах 2 мкм от контакта. Больший фотоотклик достигнут для структур с обратно смещённым контактом Шоттки из Pt/Au, образованном на поверхности UID-GaN/GaN [4,5].
Основным препятствием для создания GaN детекторов остаётся проблема сбора заряда вдали от контакта (более 2 мкм), что может быть достигнуто путём модификации запрещённой зоны в активной зоне с созданием потенциальной ямы вдоль структуры [6]. Такой энергетический профиль формируют с использованием системы AlGaN/GaN при наличии гетероперехода с двумерным электронным газом на границе. Стоит отметить, что принцип создания детектора SDD на Si также основан на создании потенциальной ямы для носителей вдоль всей структуры, однако он создаётся внешним полем, а не внутренним, как в системе AlGaN/GaN. Таким образом, для сбора того же колическтва заряда в системе AlGaN/GaN требуются значительно меньшие напряжения относительно Si, а также не требуется использования специального охлаждения и вакуумирования детектора [1].
Сложностью при создании детекторов на основе AlGaN/GaN является толщина слоёв, формируемых методами MOVPE и MBE на сапфире и других подложках. В таких детекторах активная зона не превышает 1-5 микрометров, что недостаточно для анализа малых интенсивностей в методе РФА. Единственной возможностью преодоления данной проблемы является использование гетероструктур AlGaN/GaN, выращенных методом HVPE на гибридных структурах SiC/Si, полученных методом замещения атомов. Эластичная структура SiC/Si приводит к самоорганизации состава AlGaN по толщине в процессе роста, приводя к созданию слоёв достаточно толстых для создания прототипа детектора c несколькими потенциальными ямами (несколько десятков микрометров) [7].
Современные условия рынка, в которых в Россию перестают поставлять полупроводниковые изделия, приводят к необходимости создания детекторов рентгеновского излучения внутри страны. Создание SDD в России невозможно ввиду отсутствия достаточно чистых пластин кремния. Реализация данного проекта позволит решить проблему импортозамещения для таких областей геохимии, как поиск месторождений ценных ископаемых, а также создание других приборов РФА и XRD на базе российских детекторов рентгеновского излучения. На сегодняшний день все основные российские компании используют иностранное оборудование таких производителей, как Olympus и Leica, детекторы которых производятся в Германии. Реализация данного проекта позволит России сделать шаг в направлении создания собственного полупроводникового производства.

[1] Alan Owens Semiconductor Radiation Detectors //CRC Press, 2019
[2] Alan Owens and Anthony Peacock Compound semiconductor radiation detectors //Nuclear Instruments and Methods in Phys. Res. Sec. A. Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 531, 1-2, p. 18-37, 2004
[3] Jean-Yves Duboz et al. GaN for x-ray detection //Appl. Phys. Lett. 92, 26, p. 263501, 2008
[4] Jean-Yves Duboz et al. Anomalous photoresponse of GaN X-ray Shottky detectors //J. of Appl. Phys. 105, 11, p. 114512, 2009
[5] Jean-Yves Duboz et al. X-ray detectors based on GaN Shottky diodes //Appl. Phys. Lett. 97, 16, p. 163504, 2010
[6] J.D. Howgate et.al. Ultrahigh gain AlGaN/GaN high energy radiation detectors // Phys.Status Solidi (A) 209,8,p.1562-1567, 2012
[7] S.A. Kukushkin et.al. Self-Organization of the Composition of AlxGa1-xN Films Grown on Hybrid SiC/Si Substrates //Phys. Solid State, 63, 3, p.442-448, 2021

География проекта

Институт Проблем Машиноведения РАН

Целевые группы

1. Проект может заинтересовать таких производителей рентгенофлуоресцентных анализатороов и рентгеноструктурных анализаторов, например, ИЦ «Буревестник» и НПО «Спектрон»
2. Просветительская часть проекта нацелена на студентов ВУЗов с целью их вовлечения в научную деятельность.