Мы используем cookie файлы.
Пользуясь сайтом, вы соглашаетесь с нашей Политикой конфиденциальности.

Лаборатория детекторов синхротронного излучения

Приглашенный ученый Шехтман Лев Исаевич Россия
Номер договора
075-15-2022-1132
Период реализации проекта
2022-2024
Общая информация
Название проекта:

Разработка фундаментальных основ физики и технологии радиационностойких полупроводниковых структур и создание на их основе многоэлементных детекторов для обеспечения исследований и исследовательской инфраструктуры синхротронного центра 4+ поколения СКИФ и других мегасайенс проектов в Российской Федерации

Цели и задачи
Цель проекта:

Формирование в Томском государственном университете лаборатории детекторов синхротронного излучения под руководством ведущего учёного для выполнения перспективных научных исследований с целью разработки фундаментальных основ физики радиационной стойкости полупроводниковых материалов и структур сложного состава на основе арсенида галлия, модифицированного примесями с глубокими уровнями и разработка фундаментальных основ технологии изготовления радиационностойких полупроводниковых материалов, многоэлементных сенсоров, цифровой электроники и детекторов для обеспечения исследований и исследовательской инфраструктуры синхротронного центра 4+ поколения «СКИФ» и других “мегасайенс” проектов в Российской Федерации.

Задачи проекта:

  1. Выполнение фундаментальных научных исследований радиационной стойкости полупроводниковых материалов и структур сложного состава на основе арсенида галлия, модифицированного примесями с глубокими уровнями в процессе эпитаксии и диффузии.
  2. Разработка фундаментальных основ технологии изготовления радиационностойких материалов и полупроводниковых структур на базе оригинальных HR-GaAs:Cr диффузионных и эпитаксиальных слоёв и легированных металлооксидных соединений.
  3. Разработка фундаментальных основ и технологий радиационностойких многоэлементных сенсоров, способных регистрировать с высоким быстродействием и пространственным разрешением координаты и энергию единичных квантов синхротронного излучения.
  4. Исследование закономерностей радиационной стойкости детекторных структур и многоканальных детекторов на нейтронах и пучке заряженных частиц.
  5. Разработка конструкции и технологии отечественных быстродействующих цифровых специализированных интегральных схем (ASIC) для поканального преобразования энергии квантов в цифровой код, обработки информации с многоканального радиационно-стойкого сенсора с распределением по заданным поддиапазонам энергии регистрируемых квантов синхротронного излучения.
  6. Разработка технологии формирования контактных столбиков с высокой однородностью по высоте и технологии поканальной «флип-чип» сборки многоканального сенсора с ASIC чипами считывающей цифровой электроники.
  7. Разработка фундаментальных основ физики взаимодействия детекторных структур, матричных и микрополосковых детекторов с синхротронным излучением, обоснование применения полученных результатов в различных областях науки, медицины и промышленности.
  8. Исследование предельных характеристик радиационной стойкости многоканальных HR-GaAs:Cr детекторов.
  9. Испытание многоканальных детекторов в пучках ионов для определения пространственно-временных характеристик и спектральных характеристик детекторов.
  10. Разработка фундаментальных основ построения цифровых изображений различных объектов и динамических процессов с высоким пространственно-временным и спектральным разрешением.
  11. Разработка фундаментальных основ физики взаимодействия многоканальных детекторов с синхротронным излучением на Российской установке поколения 4+ СКИФ с получением микро- и наноскопической структуры изображений реальных объектов.
  12. Исследование фундаментальных основ физики и создание технологии радиационностойких координатных детекторов для физических экспериментов на международном линейном коллайдере (ILC), чарм-тау фабрике (ИЯФ СО РАН), СЕРС (Китай), FCC (ЦЕРН).

Направления исследований: Физика и астрономия

Практическое значение исследования
 Планируемые результаты исследований:

  • 1. Фундаментальные основы конструирования отечественных радиационностойких с энергетическим разрешением цифровых детекторов высокоинтенсивного синхротронного излучения широкого спектрального диапазона, в том числе:

1.1. Физические модели транспорта и сбора неравновесных носителей заряда в ионизационном треке материала, компенсированного глубокими нанокластерами; оптимальные конструкции HR-GaAs:Cr полупроводниковых структур, позволяющих достигнуть величины радиационной стойкости, не менее 2 MGy.
1.2. Закономерности высокотемпературного легирования VGF-GaAs (Vertical Gradient Freeze) примесными нанокластерами с глубокими уровнями и получения оптимальных условий легирования для достижения заданной конструкции структур.
1.3. Лабораторная конструкция и технология (будет охраняться в режиме «ноу-хау») HR-GaAs:Cr структур диаметром 4 дюйма детекторного качества:
- удельное сопротивление, не менее 1 ГОм*см;
- дрейфовая длина электронов, не менее 0,1 см;
- радиационная стойкость структур, не ниже 2 MGy.
1.4. Оптимальная конструкция матричного сенсора большой (4 дюйма) площади, конструкция пиксела и унифицированная технология формирования контактных площадок и контактных столбиков на матричные сенсоры (будут охраняться в режиме «ноу-хау») для «флип-чип» сборки на VGF-GaAs структурах диаметром 4 дюйма; разработка методологии и технологии тестирования и разбраковки матричных сенсоров большой площади.
1.5. Закономерности основных характеристик прототипов многоэлементных детекторов, изготовленных из HR-GaAs:Cr структур, в режиме счёта и распределения по поддиапазонам энергий квантов:
- транспорт и сбор заряда, быстродействие, динамический диапазон, отношение сигнал/шум, радиационная стойкость;
- программа и методики выходного контроля VGF HR-GaAs:Cr структур.
1.6. Лабораторный регламент (будет охраняться в режиме «ноу-хау») на конструкцию матричных сенсоров и технологию (в процессе разработки выбирается под конкретную системную задачу) монолитных интегральных схем (МИС) диаметром 4 дюйма матричных HR-GaAs:Cr сенсоров с характеристиками, превышающими мировой уровень:
- число элементов в единичном сенсоре, до 1,6 миллиона пикселей (при размере пиксела до 55*55 мкм*мкм);
- число битых каналов, не более 0,01%;
- плотность темнового тока, протекающего через единичный пиксел при рабочем напряжении 100 В, не более 1 нА/мм2;
- эффективность сбора заряда единичного пиксела сенсора, не менее 0,5 при напряжённости электрического поля 2 кВ/см.
1.7. Лабораторный регламент (будет охраняться в режиме «ноу-хау») на конструкцию и технологию контактных площадок на поверхности МИС диаметром 4 дюйма матричных HR-GaAs:Cr сенсоров с характеристиками:
- разброс высоты сформированных контактных площадок, не более 3 мкм;
- число повреждённых контактных столбиков, не более 0,01%.
1.8. Лабораторный регламент (будет охраняться в режиме «ноу-хау») на технологию «флип-чип» сборки МИС многоэлементных HR-GaAs:Cr сенсоров со специализированными интегральными микросхемами (СИМС). Конструкция детекторной сборки и материал контактных площадок за счёт поглощения регистрируемого ионизирующего излучения в рабочем объёме сенсора, контактов и площадок будут способны обеспечить отсутствие радиационных повреждений СИМС, расположенной под сенсорами.

  • 2. Разработка прототипов и опытных образцов отечественных специализированных аналого-цифровых интегральных микросхем (СИМС).
  • 3. Лабораторный регламент на конструкцию модуля (будет охраняться в режиме «ноу-хау») цифрового изображения (МЦИ) для регистрации синхротронного, рентгеновского и гамма-излучений, включающего «флип-чип» сборку матричных сенсоров с СИМС и интерфейс для передачи и воспроизведения информации в виде базы данных и изображения на экране монитора, включая специализированный алгоритм обработки для повышения пространственного разрешения.

  • 4. Создание базовых технологий обработки большого потока данных при проведении физических экспериментов с использованием синхротронных источников 4-го поколения и ускорителей частиц с высокой светимостью пучка.
  • 5. Подготовка высококвалифицированных специалистов и инфраструктуры для опытного производства радиационностойких с энергетическим разрешением цифровых детекторов на базе Центра исследований и разработок «Перспективные технологии микроэлектроники» (ПТМ) Томского государственного университета.
  • 6. Создание основ приборно-инструментальной базы для оснащения Российских экспериментальных станций в рамках Федеральной научно-технической Программы высокоинтенсивных источников синхротронного излучения 4-го поколения в соответствии с постановлением Правительства Российской Федерации № 287 от 16 марта 2020 г. Ожидаемые результаты проекта помимо научной будут иметь коммерческую и социальную значимость. Важнейшим коммерческим результатом будет вывод на глобальный рынок МЦИ для разработки широкого спектра энергодисперсионной цифровой радиографической аппаратуры нового поколения. Социальная значимость обеспечивается созданием дополнительных рабочих мест, возможностью развития в России подотрасли сенсорика.

Скрыть Показать полностью
Другие лаборатории и ученые
Лаборатория, принимающая организация
Область наук
Город
Приглашенный ученый
Период реализации проекта
Лаборатория «Функциональные квантовые материалы»

Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС» - (НИТУ МИСиС)

Физика

Москва

Клингелер Рюдигер

Германия

2021-2023

Лаборатория спиновой физики двумерных материалов

Физический институт им. П. Н. Лебедева РАН - (ФИАН)

Физика

Москва

Яковлев Дмитрий Робертович

Россия

2021-2023

Лаборатория магноники и радиофотоники им. Б.А. Калиникоса

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина) - (СПбГЭТУ «ЛЭТИ»)

Физика

Санкт-Петербург

Костылев Михаил Павлович

Австралия, Россия

2021-2023