Анотація до роботи:

Кутній Д.В. Створення та модифікація структур Me-CdZnTe-Me для детектування гамма-випромінювання. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 01.04.07 – фізика твердого тіла. – Інститут електрофізики і радіаційних технологій НАН України, Харків, 2005.

Дисертація присвячена фізико-технологічним аспектам створення твердотільних структур Me-CdZnTe-Me для детектування g-випромінювання та розробці методів цілеспрямованого поліпшення їх електрофізичних характеристик шляхом різних модифікуючих впливів. Розрахована ефективність реєстрації
g-випромінювання в широкому енергетичному діапазоні кристалами CdZnTe різної товщини і визначені області застосування твердотільних структур Me-CdZnTe-Me з омічними й бар'єрними контактами. Проведено комплексне дослідження впливу різних матеріалів контактів, методів їхнього нанесення і ступеня окислення поверхні кристала CdZnTe на електрофізичні та детектуючі характеристики структур
Me-CdZnTe-Me. Обґрунтовано вибір структури Au-CdZnTe-Au з омічними контактами для ефективної реєстрації g-випромінювання. Запропоновано методи модифікації структур Au-CdZnTe-Au, що включають у себе термічні обробки
(у повітрі, у вакуумі, у постійному електричному полі) і гідростатичну обробку, що дозволило розробити вдосконалені технологічні схеми виготовлення твердотільних структур Au-CdZnTe-Au для детектування g-випромінювання в заданому діапазоні енергій. Структури Au-CdZnTe-Au, виготовлені на основі запропонованих технологічних схем, використовуються в ТОВ «Інтератомінструмент» (м. Київ) для створення дозиметричних блоків реєстрації g-випромінювання.

У дисертації викладені результати експериментальних досліджень електрофізичних і детектуючих характеристик структур Me-CdZnTe-Me, які призначені для реєстрації g-випромінювання. На основі цих результатів розв’язано важливе науково-практичне завдання, що полягає в створенні твердотільних структур на основі напівпровідникової сполуки CdZnTe з контактами різного типу (бар'єрні, омічні), виборі оптимальної структури та розробці методів її модифікації шляхом різних зовнішніх впливів для ефективної реєстрації g-випромінювання в широкому діапазоні енергій.

1. Проведено розрахунок ефективності реєстрації g-випромінювання кристалами CdZnTe різної товщини (0,1…5 мм). Показано, що створення структур
   Me-CZT-Me з бар'єрними контактами, товщина збідненого шару в яких ~ 100 мкм, дозволяє ефективно реєструвати g-випромінювання з енергією, що не перевищує 100 кеВ. Для детектування g-квантів з більшою енергією доцільно створювати структури Me-CZT-Me з омічними контактами.

2. Проведено дослідження структур Au-CZT-Me (де Me - Al, Cr, In), які дозволяють встановити, що струм витоку при включенні структур у прямому напрямку визначається інжекцією неосновних носіїв заряду, а при зворотному — термоактиваційними процесами. На основі структур Au-CZT-In створені детектори для реєстрації низькоенергетичного g-випромінювання, що характеризуються малим струмом витоку ~ 0,7 нА (U_a = 60 В) і розподіленням по енергії ~ 9 кеВ (E_g = 59,5 кеВ).

3. На основі структур Au-CZT-Au створені детектори з омічними контактами для ефективної реєстрації g-випромінювання, що мають оптимальне сполучення детектуючих характеристик. Розподілення по енергії отриманих детекторів ~ 12 кеВ (E_g = 59,5 кеВ), а ефективність реєстрації фотонів (~ 70%) майже у два рази вище, ніж у кращої поверхнево-бар'єрної структури Au-CZT-In.

4. Запропоновано універсальну еквівалентну електричну схему структури МНМ, що дозволяє моделювати будь-які типи та варіанти контактів. Проведено моделювання вольтамперних характеристик отриманих структур і показано, що електричні властивості отриманих переходів CdZnTe-Me (де Me - Al, Cr, In) визначаються величиною резистивної складової струму через контакт. Визначено фізико-технологічні критерії якості твердотільних структур Me-CdZnTe-Me з омічними і бар'єрними контактами.

5. Досліджено вплив термічних обробок у повітрі та у вакуумі на електрофізичні та детектуючі властивості структур Au-CZT-Au і визначені їх оптимальні режими. Термічна обробка у повітрі при температурі » 140C знижує значення струму витоку на 1…2 порядки, що дозволяє одержати детектор для реєстрації низькоенергетичного g-випромінювання з низьким рівнем шумів. Термічну обробку у вакуумі при » 200C доцільно застосовувати при виготовленні структур Au-CZT-Au для реєстрації високоенергетичного g-випромінювання (E_g 100 кеВ).

6. Розроблено методику і пристрій для проведення термічної обробки твердотільних структур Au-CZT-Au у постійному електричному полі. Показано, що даний вид обробки дозволяє додатково знизити на 20...25% струм витоку структур Au-CZT-Au, попередньо термооброблених у повітрі в оптимальному режимі.

7. Розроблено методику та досліджено вплив гідростатичної обробки тиском до 0,2 ГПа на електрофізичні та детектуючі властивості твердотільних структур
   Au-CZT-Au. Встановлено, що гідростатична обробка знижує опір контакту
   Au-CdZnTe і усуває асиметрію електричних характеристик при включенні структури в прямому й зворотному напрямках. Після обробки швидкість лічби фотонів при реєстрації високоенергетичного g-випромінювання (E_g = 661,7 кеВ) зростає більш ніж в 3 рази. Отже, гідростатичну обробку, так само як і термічну обробку у вакуумі, доцільно застосовувати при виготовленні структур Au-CZT-Au, призначених для реєстрації g-випромінювання з енергією більше 100 кеВ.

На основі отриманих результатів удосконалені технологічні схеми виготовлення твердотільних структур Au-CdZnTe-Au для детектування
g-випромінювання в заданому діапазоні енергій, в які включені різні модифікуючи обробки (термічні обробки у повітрі та у вакуумі, гідростатична обробка, іонно-плазмова пасивація). Елементи цих технологічних схем впроваджені в ННЦ ХФТІ (м. Харків) для виготовлення детекторів g-випромінювання. Структури
Au-CdZnTe-Au, виготовлені на основі запропонованих технологічних схем, використовуються в ТОВ «Інтератомінструмент» (м. Київ) для створення дозиметричних блоків реєстрації g-випромінювання.

Публікації автора:

1. Кутний В.Е., Кутний Д.В., Рыбка А.В., Наконечный Д.В., Тихоновский М.А., Бабун А.В., Бобылев Г.Г. Влияние обработки гидростатическим давлением на свойства датчиков ядерного излучения на основе полупроводникового соединения CdZnTe // Вопросы атомной науки и техники. Сер. Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники. - 2003. - Вып. 5(13). - С. 111-116.

2. Кутний В.Е., Кутний Д.В., Рыбка А.В., Абызов А.С., Давыдов Л.Н., Наконечный Д.В., Шляхов И.Н. Влияние термообработки на электрофизические свойства CdZnTe-детекторов g-излучения // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. - 2005. - № 3. - С. 12-15.

3. Белецкий Н.И., Полянский Н.Е., Кутний Д.В., Наконечный Д.В., Абызов А.С., Давыдов Л.Н., Кутний В.Е., Рыбка А.В., Леонов С.А., Шляхов И.Н. Влияние материала и способа нанесения контактов на электрофизические свойства сенсоров гамма-излучения из CdZnTe p-типа // Вісник харківського національного університету. Сер. Радіофізика та електроніка. - 2004. - № 646. - С. 48-54.

4. Леонов С.А., Кутний Д.В., Наконечный Д.В., Давыдов Л.Н., Захарченко А.А., Кутний В.Е., Рыбка А.В. Ионно-плазменная пассивация поверхности кристаллов CdZnTe // Вопросы атомной науки и техники. Сер. Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники. - 2004. - Вып. 6(14). - С. 147-151.

5. Rybka A.V., Davydov L.N., Shlyakhov I.N., Kutny V.E., Prokhoretz I.M.,
   Kutny D.V., Orobinsky A.N. Gamma-radiation dosimetry with semiconductor CdTe and CdZnTe detectors // Nucl. Inst. and Meth. A. - 2004. - Vol. 531. - P. 147-156.

6. Пат. № 70034А, Україна, 7 G01T1/00, 1/16, 1/24. Пристій для вимірювання потоку гамма-випромінювання / Кутній В.Є., Рибка О.В., Шляхов І.М.,
   Кутній Д.В. (Україна); ННЦ “Харківський фізико-технічний інститут”. - № 20031212185; заявл. 23.12.2003; опубл. 15.09.2004; - 6 с.

7. Кутний В.Е., Кутний Д.В., Рыбка А.В., Абызов А.С., Давыдов Л.Н., Наконечный Д.В., Шляхов И.Н. Влияние термообработки на электрофизические свойства CdZnTe-детекторов g-излучения на основе полупроводникового соединения CdZnTe p-типа // Труды XVI международной конференции по физике радиационных явлений и радиационному материаловедению (XVI ICPRP). - Алушта (Украина). - 2004. - С. 371.

8. Кутний Д.В., Наконечный Д.В., Абызов А.С., Давыдов Л.Н., Кутний В.Е.,
   Рыбка А.В. Влияние материала и способа нанесения контактов на электрофизические свойства сенсоров гамма-излучения из CdZnTe p-типа // Труды V международной научно-практической конференции «Современные информационные и электронные технологии» (СИЭТ-2004). - Одесса (Украина). - 2004. - С. 219.

9. Кутний В.Е., Рыбка А.В., Кутний Д.В., Шляхов И.Н., Захарченко А.А. Разработка дозиметрических и спектрометрических блоков регистрации гамма-излучения на основе широкозонных полупроводниковых соединений CdTe и CdZnTe для мониторинга окружающей среды и промышленного производства материалов ядерного топлива // Труды III международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы урановой промышленности». – Алматы (Казахстан). - 2005. - С. 438.