Hassan Elhadidy
Hassan Elhadidy
Projekt: DETNOISE - Šum v polovodičových detektorech rentgenova a gama záření
Školitel: prof.Ing.RNDr.Josef Šikula, DrSc.
Hostitelská instituce: Ústav fyziky, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT
Země původu: Egypt
Země vědeckého působení: Egypt, ČR
Délka projektu: 30 měsíců
Panel: Fyzika
Abstrakt:
Technologie detektorů na polovodičové bázi je strategicky významná oblast mezinárodního výzkumu a průmyslového nasazení pro detekci záření. Za účelem dosažení výrazně lepších provozních vlastností senzorů radiace se zkoumají materiály II-VI skupiny periodické soustavy prvků. Jejich výhodou je přímý převod záření na elektrický signál s velmi vysokou účinností. Velká účinnost detektorů na bázi CdTe je založena na efektivním sběru volných nosičů náboje generovaných ozářením. Tato vlastnost je kriticky závislá na co nejvyšší rezistivitě materiálu a na co nejnižším zadržování nosičů náboje v pastech. Jedna z klíčových vlastností požadovaných pro výborný spektroskopický polovodičový detektor je vysoký poměr signál/šum. Dosavadní výzkum se zejména zaměřoval na maximalizaci výstupního signálu detektoru, zatímco šumové vlastnosti materiálu detektoru a jeho kontaktů stály v pozadí. Metodika zkoumání šumových parametrů spočívá v experimentálním studiu fluktuačních jevů zapříčiněných povahou transportu nosičů náboje a kvantových přechodů souvisejících s interakcí elektronů s fotony a stochastických procesů iontové difúze s dlouhou relaxační konstantou. Měřitelné veličiny jsou šumové napětí nebo proud a závislost jejich spektrálních hustot na intenzitě přiloženého elektrického pole, teplotě a intenzitě ozáření. Pro posouzení elektrických parametrů a stanovení lokalizovaných energetických úrovní v krystalech CdTe budou prováděna měření pomocí termoelektrické spektroskopie. Dále budou realizována galvanometrická, fotoluminiscenční a fotovodivostní měření. Výzkum bude zaměřen na určení a kvantitativní popsání zdrojů šumů a stanovení postupu pro potlačení těchto nežádoucích signálů vznikajících v důsledku výskytu bodových defektů, příměsí a shluků dislokací v CdTe. V oblasti přechodu polovodič-kov a v objemu senzoru je patrný ohyb energetických pásů v důsledku rozdílných výstupních prací kovu a CdTe (CdZnTe).
Dosavadní průběh projektu:
Technologie detektorů na polovodičové bázi je strategicky významná oblast mezinárodního výzkumu a průmyslového nasazení pro detekci záření. Za účelem dosažení výrazně lepších provozních vlastností senzorů radiace se zkoumají materiály II-VI skupiny periodické soustavy prvků, konkrétně kadmium-telluridu (dále CdTe). Jejich výhodou je přímý převod záření na elektrický signál s velmi vysokou účinností.Velká účinnost detektorů na bázi CdTe je založena na efektivním sběru volných nosičů náboje generovaných ozářením. Tato vlastnost je kriticky závislá na co nejvyšší rezistivitě materiálu a na co nejnižším zadržování nosičů náboje v pastech. Jedna z klíčových vlastností požadovaných pro výborný spektroskopický polovodičový detektor je vysoký poměr signál/šum. Dosavadní výzkum se zejména zaměřoval na maximalizaci výstupního signálu detektoru, zatímco šumové vlastnosti materiálu detektoru a jeho kontaktů stály v pozadí. Metodika zkoumání šumových parametrů spočívá v experimentálním studiu fluktuačních jevů zapříčiněných povahou transportu nosičů náboje a kvantových přechodů souvisejících s interakcí elektronů s fotony a stochastických procesů iontové difůze, s dlouhou dobou ustalování elektrických parametrů detektoru s velkou relaxační konstantou.
Stručné shrnutí cílů projektu:
· Charakterizace principů vlivu bodových a shlukových defektů na transport náboje v detektorech na materiálové bázi CdTe a CdZnTe pomocí komplexních experimentálních metod. Nalezení a izolace jednotlivých zdrojů parazitního šumového signálu v systému vysokoodporových Au/CdTe/Au detektoech.
· Určení vlivu žíhání na strukturu defektů v polovodiči a jeho vlivu na šumové spektrum detektorů
· Nalezení vhodného postupu žíhání a metodiky nanášení kontaktů. Nalezení materiálu kontaktů zajišťujícího nejlepší provozní vlastnosti a časovou stabilitu provozních parametrů detektorů.
Aktivity realizované za první rok řešení projektu
V prvním proce řešení projektu byl výzkum zaměřen zejména na určení vlivu jednotlivých částí systému detektoru na jeho celkové vlastnosti. Tyto části jsou:
1. Povrch detektoru. U nově vyrobených vzorků, připravených partnerskou institucí – Fyzikálním Ústavem University Karlovy v Praze (Dále FÚ UK), byla provedena měření VA charakteristik. Pro určení vlivu nežádaného povrchového proudu detektoru byla vyrobena dvojice detektorů, vyrobených ze stejného monokrystalu a o shodných geometrických rozměrech. Jeden z těchto vzorků by navíc opatřen ochrannou prstencovou elektrodou, která uzemňuje povrchové proudy. Experimentálně bylo zjištěno, že detektorem s uzemněnou ochrannou elektrodou došlo k poklesu závěrného proudu o více než 40 procent.
2. Kontakt polovodič-kov. Byly měřeny transportní charakteristiky. Pro vyloučení vlivu objemu a povrchu vzorku byla tato měření prováděna čtyřbodovou metodou. Účelem těchto měření bylo určení linearity elektrických parametrů přechodu polovodič-kov.
3. Objem detektoru. Pro posouzení homogenity objemu vzorku, který při detekci ionizujícího záření slouží jako polovodičová ionizující komora, byla na FÚ UK provedena analýza pomocí Pockelsova jevu. Tato metoda dokáže určit rozložení elektrického potenciálu v objemu vzorku. Nečistoty a poruchy krystalické mřížky se projeví lokální změnou intenzity pole v oblasti poruchy.
Další část výzkumu byla zaměřena na povahu makroskopických elektrickkých veličin při procesu relaxace detektoru. Byla provedena dlouhodobá měření změny elektrického odporu detektoru po připojení napájecího napětí. Současně s tímto měřením byl pozorován vývoj nízkofrekvenční spektrální hustoty šumového signálu detektroru. Měření ukázala, že doba ustálení elektrických parametrů detektoru se pohybuje v řádu 104 sekund. Po připojení konstantního napájecího napřetí se monotónně zvyšoval proud detektorem, tedy jeho odpor klesal. Při analýze spektrální hustoty nízkofrekvenčního šumu detektoru bylo zjištěno, že při procesu relaxace trvající >600 sekund je jeho amplituda konstantní, tedy že úroveň vlastního šumu a šumu detektoru není závislá na proudu.
Závěry dosavadní práce:
Při analýze rozdílů VA charakteristik detektorů vybavených pomocnou prstencovou elektrodou a detektorů bez této elektrody bylo zjištěno, že převážná část nežádaného závěrného proudu je vedena po povrchu detektoru. V další analýze je potřeba se podrobněji zaměřit na vliv ochranné elektrody na tvar elektrického pole, které může záporně ovlivnit efektivitu sběru nosiů náboje, vygenerovaných interakcí ionizujícího záření s detektorem. Dále, považujeme za nezbytné se hlouběji zabývat možností snížení závěrného proudu technologickou úpravou povrchu. Tím se zvýší rezsitivitu povrchu detektoru atato vytvořená povrchová vrstva bude působit jako ochrana proti korozním vlivům okolí.
Z experimentů provedených Pockelsovým jevem vyplývá, že při relaxaci detektoru dochází zejména ke snížení intenzity elelktrického pole v oblastech závěrně pólovaných kontatků. Usuzujeme tedy, že za dlouhou relaxaci je zodpovědná fluktuace šířky vyčerpané oblasti, ve které je zvýšená koncentrace hlubokých pastí, jenž jsou projevem nedokonalého technologického postupu kontaktování detektoru.
Dosavadní zjištění pomohou ke zlepšení kvaltativních parametrů již v současnosti komerčně produkovaných CdTe/CdZnTe detektorů a zvýšení konkurenceschopnosti firem, které tyto detektory produkují (např. Eurad Strassburg). Nasazení ochranné elektrody je velmi obtížně realizovatelné při použití matic detektorů pro zobrazovací systémy, jak např. rentgenová zařízení s vysokým rozlišením. Z tohoto důvodu považujeme za velmi perspektivní zabývat se možnostmi pasivace povrchu detektorů.