CN107209277B - 用于探测电离辐射的闪烁探测器 - Google Patents

用于探测电离辐射的闪烁探测器 Download PDF

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Abstract

用于探测电离辐射的闪烁探测器，该电离辐射尤其是电子、X射线或粒子辐射，该闪烁探测器包括单晶基底（1）、至少一个缓冲层（2）、至少一个氮化物半导体层（3、4、5、6），该至少一个氮化物半导体层被施加至具有外延的基底（1）上，该氮化物半导体层用通式AlyInxGa1‑x‑yN描述，其中0≤x≤1、0≤y≤1和0≤x+y≤1有效，其中至少两个氮化物半导体层（3、4）被设置在层状异质结构中，该层状异质结构的结构包含至少一个势阱，该至少一个势阱用于电子和空穴的辐射重组。在该结构中，设有大体上相同极化的氮化物半导体层（3、4）的至少一个活性双层，该至少一个活性双层由AlybInxbGa1‑xb‑ybN型的阻挡层（4）和表示势阱的AlywInxwGa1‑xw‑ywN型的层（5）组成，其中xb≤xw和yb≤yw有效；或者存在厚度（t3）小于2nm、AlydInxdGa1‑xd‑ydN型的至少一个载体吸引层（7），其中yd≤yw和xd≥xw+0.3，该至少一个载体吸引层（7）嵌入氮化物半导体层（4、5）的至少一个活性双层中，以减小发光衰减时间。

Description

用于探测电离辐射的闪烁探测器
技术领域
本发明涉及具有氮化物异质结构的半导体单晶闪烁探测器，该半导体单晶闪烁探测器被设计成用于探测电离辐射，尤其是电子、X射线或粒子辐射。
背景技术
众所周知，具有宽带隙的半导体（如GaN或ZnO）适合在电离辐射的探测器中使用。这类型的材料表现出1ns数量级的激发发光的较短的衰减时间，且这类型的材料耐辐射。GaN的优点在于其以更高的结晶质量和以同质外延层的形式制备的可能性，在彼此的顶部上、以达到多个不同的层而被施加至单晶基底的较大表面上，这导致异质结构的形成。这些异质结构表现出较低的非辐射损失和较窄的发光最大值。
专利文件US 7 053 375 B2描述一种半导体闪烁器，该半导体闪烁器包括来自周期表的III族元素，该III族元素与氮以半导体的形式化合，用于用电离辐射进行激发。此半导体化合物被构造于层内，在通常所述的基底上形成。此外，在半导体层和基底之间可存在半层，以平滑/改进被称为缓冲层的半导体结构。具有III族元素的各种氮化物及其合金可被用于在彼此上方施加的不同的层中，并形成异质结构。
另一个已知的专利文件US 8 164 069 B2描述一种荧光剂对伴随光发射（发光）的电子入射的反应。该荧光剂包括载体单晶基底和氮化物半导体三明治结构，其中阻挡层与表示势阱的层交替。半导体层形成异质结构，该异质结构在一个基底侧的表面上形成。优选地，势阱用InxGa1-xN合金半导体形成。
以上所述的方案的缺点在于，它们没有考虑到在具有不同构成的层的界面之间形成的强压电场。此压电场降低电子空穴波函数重叠，并且因此相当大地降低发光强度并延长发光衰减时间。这意味着闪烁器将具有没那么强且较慢的响应。以上提到的方案的再一个缺点是事实上，在电离辐射的入射期间，在半导体材料中的非辐射电子空穴重组消耗相对大量的能量。势阱的存在改善了此速度，但是辐射重组和非辐射重组所消耗的能量的产生比例仍然不足够。由于InxGa1-xN的不同晶格常数造成越来越多数量的InxGa1-xN阱，在半导体层中更高数量的势阱的获得被结构中增大的张力阻止，所述更高数量的势阱的获得将改善重组能量的产生比例。
本发明的任务在于形成用于探测电离辐射的单晶氮化物闪烁探测器，该单晶氮化物闪烁探测器将消除已知方案的缺陷，抑制压电场的影响并降低结构中的张力，这将提高对入射电离辐射的发光响应的强度和速度。
发明内容
上述设定的任务通过形成用于探测电离辐射（尤其是电子、X射线或粒子辐射）的闪烁探测器来解决。
闪烁探测器包括单晶基底，在该单晶基底上施加至少一个缓冲层。该缓冲层被施加用于将至少一个氮化物半导体层稳定结合至具有外延的单晶基底。该氮化物半导体层用通式AlyInxGa1-x-yN 描述，关系0 ≤ x ≤ 1、0 ≤ y ≤ 1和0 ≤ x+y ≤ 1用于该通式。同时，至少两个氮化物半导体层被设置在层状异质结构中，该层状异质结构的结构包含至少一个势阱，该至少一个势阱用于由入射辐射产生的电子和空穴的辐射重组。
本发明的原理包括的事实是：缓冲层用至少一个底部氮化物半导体层形成，且在底部氮化物半导体层上方设有大体上相同极化的氮化物半导体层的至少一个活性双层（active couple）。活性双层由AlybInxbGa1-xb-ybN型的阻挡层和表示势阱的AlywInxwGa1-xw-ywN型的层组成，其中关系xb ≤ xw和yb ≤ yw对该活性耦有效。或者，如果该活性双层层不具有相同的极化，在氮化物半导体层的至少一个活性双层中嵌入厚度小于2nm、AlydInxdGa1-xd-ydN型的至少一个层，其中yd ≤ yw和xd ≥ xw+0.3有效，以在层的内部形成邻接至该层的载体吸引层，表示势阱以减小发光衰减时间。在最高的活性双层上方，以远离基底的方向设有至少一个顶部氮化物半导体层。
具有大体上相同极化的活性双层层的闪烁探测器的优点包括：由空穴和电子波函数的重叠提高引起、以纳秒为单位的较短的衰减时间和较高的发光强度。增加电子和空穴波函数的重叠的另一个方式是嵌入载体吸引层，该载体吸引层将电子和空穴拉进自身，这引起电子和空穴空间逼近，因此提高激发发光强度并且使闪烁器发光响应更快。
在具有根据本发明的GaN缓冲层的闪烁探测器的另一个优选的实施方案中，阻挡层和表示势阱的层的构成和厚度很好地符合以下关系：
|d1·(4.3·xw–yw) + d2·(4.3·xb-yb)| ≤ 1
对于在外延结构中的张力的相互补偿，厚度d1和厚度d2以纳米输入。在异质结构的活性区域中的张力的补偿能够使异质结构的该活性区域的尺寸增大，因此该区域被扩大，用于所探测到的辐射的入射，而且用于辐射重组的所释放的电子和空穴的数目增加，这使闪烁探测器功能得到改善。
在根据本发明的闪烁探测器的另一个优选的实施方案中，异质结构的活性区域包括氮化物半导体层的至少两个周期地重复的活性双层，该异质结构的活性区域总厚度超过200nm。
在根据本发明的闪烁探测器的另一个优选的实施方案中，底部氮化物半导体层为AlyInxGa1-x-yN 型，其中0 ≤ x < 0.5、0 ≤ y < 0.5和0 ≤ x+y ≤ 1有效。
在根据本发明的闪烁探测器的另一个优选的实施方案中，从顶部氮化物半导体层的外表面、以至少1µm的深度、用IV族元素的原子对异质结构进行掺杂，以获得结构充足的传导性以及将由入射电子束引起的过剩的负电荷引走的可能性。优选使用达到1019 cm-3浓度的硅原子。
在根据本发明的闪烁探测器的另一个优选的实施方案中，单晶基底源于来自钇铝钙钛矿、单晶GaN形或蓝宝石的材料。
在根据本发明的闪烁探测器的另一个优选的实施方案中，在单晶钇铝钙钛矿基底上制备，掺杂有稀土元素以稳定生长过程。
用于探测电离辐射（尤其是电子、X射线或粒子辐射）的快速闪烁器的优点在于较快的衰减时间、较高的发光强度以及在活性区域中压电场和张力的至少部分补偿，包括通过使用载体吸引层来消除压电场影响。
附图说明
本发明将在附图中被更详细地说明，其中：
图1示出闪烁氮化物异质结构的导带边缘和价带边缘的路线的示意图，该闪烁氮化物异质结构具有量子阱而没有压电场的补偿，且具有恶化闪烁器发光强度并延长其衰减时间的电子和空穴波函数的弱重叠；
图2示出闪烁氮化物异质结构的导带的边缘和价带的边缘的示意路线，该闪烁氮化物异质结构具有补偿的压电场以及波函数的更完美重叠；
图3示出闪烁氮化物异质结构的导带的边缘和价带的边缘的示意路线，该闪烁氮化物异质结构具有浸没式逆转势垒；
图4为单个组分的比率的三维图，以保持恒定的极化；
图5为异质结构层的示意图，该异质结构层具有在基底上形成的活性区域的单个层的几乎相同的极化；
图6示出异质结构层的示意图，该异质结构层具有浸没式载体吸引层；
图7为根据建议的方案（实施例5）所制备的样品和根据现有知识（US 8 164 069B2：InxGa1-xN量子阱的厚度为2.2nm，x=0.13，GaN阻挡的厚度为10nm）所制备的样品关于光致发光强度的光谱依赖性的比较；
图8为根据建议的方案（实施例5：衰减时间少于1ns）所制备的样品和根据现有知识（美国专利8 164 069 B2：InxGa1-xN量子阱的厚度为2.2nm，x=0.13，GaN阻挡的厚度为10nm）所制备的样品关于时间分辨累积光致发光强度的比较。
具体实施方式
应该理解的是，以下说明和描述的本发明实施方案的具体示例是为了说明而示出，而不作为本发明受所述示例的限制。当实施常规试验时，本领域技术人员将发现或将能够确保在此描述的本发明的具体实施方案的较大或较小数量的等价方案。这些等价方案也将纳入后附的权利要求的范围内。
图1示出用于根据现有知识所设计的闪烁探测器的导带和价带以及电子和空穴的波函数8和波函数9。图2和图3示出用于根据在此发明的方案所设计的闪烁探测器的导带和价带以及电子和空穴的波函数8和波函数9，图2中具有平衡极化的结构，图3中具有浸没式载体吸引层的结构。图4示出三维图，该三维图示出活性区域材料的单个组分的值的比率，以保持平衡的压电场。图5示意地示出在单晶基底1上形成的、具有平衡的极化的异质结构。图6示意地示出在单晶基底1上形成的、具有浸没式载体吸引层的异质结构。
示例1：具有完全补偿的压电场的结构
闪烁器的一部分是以MOVPE技术制备的具有GaN缓冲层2的多层半导体氮化物异质结构。对于异质结构活性区域的质量和功能来说，重要的是在活性区域中的AlybInxbGa1-xb- ybN阻挡层4晶格匹配至在外延平面中的GaN缓冲层，且同时，表示势阱、具有较窄带隙的AlywInxwGa1-xw-ywN层5具有与阻挡层4相同的极化。AlybInxbGa1-xb-ybN阻挡层4必须包含比In原子多约4.3倍的Al原子（yb=4.3·xb），使得其能够晶格匹配至缓冲层。
异质结构被制备在具有取向（111）的YAP（钇铝钙钛矿）基底1上。制备后，在NH3+N2的气氛中、1050°C的温度下对基底1进行氮化5分钟。此外，GaN成核层2在540 °C的温度下制备，该GaN成核层2的厚度t4为30nm。GaN底部层3被硅原子掺杂至浓度为1.1017cm-3，并且在1050°C的温度下制备，底部层3的厚度t1为2µm。异质结构的活性区域通过使具有较宽带隙的层4和具有较窄带隙的层5交替而形成，层4和层5在830°C的温度下制备。活性双层的重复次数是12。阻挡层4的参数是AlybInxbGa1-xb-ybNyb，其中xb = 0.03、yb = 0.17，且层4的厚度d2为16nm。层5具有参数AlyWInxWGa1-xw-ywN，其中xw = 0.13、yw = 0.24，且层5的厚度d1为5nm。活性层被硅掺杂至Si浓度为2.1018 cm-3。AlyGa1-yN型的覆盖层6在830°C的温度下制备，具有构成y = 0.05。
示例2：在外延层中具有部分平衡的压电场和完全补偿的张力的结构
根据示例1制备多层半导体异质结构，并且具有较小晶格常数ab的阻挡层4的构成和厚度d2以这样的方式设置：由表示势阱且具有较大晶格常数aw和厚度d1的层5所引起的张力与具有晶格参数a0的底部层3保持平衡，在此示例中，底部层3由GaN形成。同时，压电场在层4和表示势阱的层5（两种类型均具有相同的极化）之间被补偿。活性区域通过使具有较宽带隙的层4和具有较窄带隙的层5交替而形成，层4和层5在830°C的温度下制备。活性双层的重复次数是30。层4的参数是AlybInxbGa1-xb-ybN，其中xb= 0、yb= 0.15，且层的厚度d2为13nm；层5的参数是AlywInxwGa1-xw-ywN，其中xw = 0.13、yw= 0.24，且层的厚度d1为6nm。
示例3：具有完全补偿的压电场和InxGa1-xN缓冲层的结构
根据示例1制备多层半导体异质结构，且底部层3用构成x = 0.03的InxGa1-xN型的合金半导体形成，能够降低在异质结构活性区域的层中的Al含量。活性区域通过使具有较宽带隙的层4和具有较窄带隙的层5交替而形成，层4和层5在830°C的温度下制备。活性双层的重复次数是15。层4的参数是AlybInxbGa1-xb-ybN，其中xb= 0.02、yb= 0.03，且层4的厚度d2为8nm；层5的参数是AlywInxwGa1-xw-ywN型，其中xw = 0.08、yw= 0.09，厚度d1为2nm。
示例4：具有浸没式载体吸引层的结构
根据示例1制备此结构（参见图3和图6），然而，在具有较窄带隙、具有AlywInxwGa1-xw-ywN构成的层5中嵌入薄的InxdGa1-xdN层7作为载体吸引层，该载体吸引层将电子和空穴拉进自身，并因此提高电荷载体的波函数的重叠，且当压电场存在的情况下，它能够因此降低活性区域中的铝浓度。
该结构被制备在具有取向（111）的YAP基底1上。在NH3+N2的气氛中、1050°C的温度下对基底1进行氮化5分钟。随后，在540 °C的温度下从GaN材料制备成核层2，成核层2的厚度t4为30nm。然后，形成GaN底部层3，GaN底部层3被硅原子掺杂至浓度为1.1017cm-3，并且在1050°C的温度下制备，GaN底部层3的厚度t1为2µm。
活性区域通过使具有较宽带隙的层4及具有较窄带隙的层5和层7交替而形成，层4、层5和层7在830°C、780°C和690°C的温度下制备。活性三层（active triple）的重复次数是15。
层4的参数是AlybInxbGa1-xb-ybN，其中xb = 0.02、yb = 0.09，且层4的厚度d2为12nm。层5的参数是AlywInxwGa1-xw-ywN，其中xw = 0.03、yw = 0.07，且层5的厚度d1为2nm。层7的参数是InxdGa1-xdN，其中xd = 0.4，且层7的厚度t3为1nm。活性区域还被硅掺杂至Si浓度为2.1018 cm-3。在830°C的温度下制备、具有构成y = 0.1的AlyGa1-yN覆盖层6，也被施加在异质结构的顶部上。
示例5：具有浸没式载体吸引层的另一个结构
根据示例4制备此结构（参见图3和图6），然而，该结构在层的构成和厚度以及所使用的基底的类型上不同。
该结构被制备在具有c-（0001）取向的蓝宝石基底1上。在NH3+N2的气氛中、1050°C的温度下对基底1进行氮化5分钟。随后，在540 °C的温度下从GaN材料制备成核层2，成核层2的厚度t4为25nm。然后，形成GaN底部层3，GaN底部层3被硅原子掺杂至浓度为1.1017cm-3，并且在1050°C的温度下制备，GaN底部层3的厚度t1为6µm。
活性区域通过使具有较宽带隙的层4及具有较窄带隙的层5和层7交替而形成，层4、层5和层7在830°C、780°C和680°C的温度下制备。活性三层的重复次数是15。
层4的参数是AlybInxbGa1-xb-ybN，其中xb = 0、yb = 0，且层4的厚度d2为10nm。层5的参数是AlywInxwGa1-xw-ywN，其中xw = 0.07、yw = 0，且层5的厚度d1为2nm。层7的参数是InxdGa1-xdN，其中xd = 0.4，且层7的厚度t3为0.8nm。活性区域还被硅掺杂至Si浓度为1.10 19cm-3。在830°C的温度下制备、具有构成y = 0.1的AlyGa1-yN覆盖层6，也被施加在异质结构的顶部上。
示例6：在外延层中具有部分平衡的压电场和完全补偿的张力的结构，该外延层在YAP:Ce基底上制备
根据示例2制备多层半导体异质结构作为具有完全补偿的张力的结构，但是该多层半导体异质结构在具有取向（111）的YAP基底上制备并且掺杂Ce（0.17%）。该结构还在活性层4和活性层5的厚度上不同，其中构成为xb= 0、yb= 0.15的AlybInxbGa1-xb-ybN阻挡层4具有厚度d2 = 11 nm，以及量子阱层5具有厚度d1=5 nm且构成xW=0.13、yW= 0.24。双重层的重复次数是30。
示例7：在外延层中具有部分平衡的压电场和完全补偿的张力的结构，该外延层在YAP:Nd基底上制备
根据示例6制备多层半导体异质结构作为具有完全补偿的张力的结构，但是该多层半导体异质结构在具有取向（111）的YAP基底上制备并且掺杂Nd（0.1%）。该结构还在活性层4和活性层5的厚度上不同，其中构成为xb= 0、yb= 0.15的AlyBInxbGa1-xb-ybN阻挡层4具有厚度d2 = 9 nm，以及量子阱层5具有厚度d1=4 nm且构成xW=0.13、yW= 0.24。双重层的重复次数是35。
工业实用性
根据本发明的用于探测电离辐射（尤其是电子、X射线或粒子辐射）的闪烁探测器，能够在其他物品中被使用，尤其是在与电离辐射配合的医学领域中、在电子显微镜中、在设计成用于研究或用于材料和产品的分析的需要快速探测的装置中，也就是在诊断集成电路和其他电子部件的质量的应用中，进一步地，在显微射线照相中（包括快速高清CT系统），以及在很多其它研究领域中（例如天文学、粒子物理学等）。
在附图中使用的位置的概览
1 单晶基底
2 缓冲层
3 底部氮化物层
4 阻挡层
5 表示势阱的层
6 顶部氮化物层
7 表示载体吸引层的层
8 电子的波函数
9 空穴的波函数
10 导带的边缘
11 价带的边缘
d1 表示势阱的层的厚度
d2 阻挡层的厚度
t1 底部氮化物层的厚度
t2 顶部氮化物层的厚度
t3 表示载体吸引层的层的厚度
t4 成核层的厚度
h 异质结构活性部分的厚度

Claims (9)

1.用于探测电离辐射的闪烁探测器，该闪烁探测器包括单晶基底(1)，在该单晶基底(1)上施加至少一个缓冲层(2)，用于将至少一个氮化物半导体层(3、4、5、6)结合在具有外延的单晶基底(1)上，该氮化物半导体层用通式AlyInxGa1-x-yN描述，其中0≤x<1、0≤y<1和0≤x+y≤1有效，且其中至少两个氮化物半导体层(3、4)被设置在层状异质结构中，该层状异质结构的结构包含至少一个势阱，该至少一个势阱用于电子和空穴的辐射重组，其特征在于，在缓冲层(2)上设有至少一个底部氮化物半导体层(3)，在该底部氮化物半导体层(3)上方设有大体上相同极化的氮化物半导体层(3、4)的至少一个活性双层，该至少一个活性双层由AlybInxbGa1-xb-ybN型的阻挡层和表示势阱的AlywInxwGa1-xw-ywN型的层组成，其中xb≤xw和yb≤yw有效；或者在氮化物半导体层(4、5)的至少一个活性双层中嵌入厚度(t3)小于2nm、AlydInxdGa1-xd-ydN型的至少一个层(7)，其中yd≤yw和xd≥xw+0.3有效，以在表示势阱的AlywInxwGa1-xw-ywN型的层的内部形成邻接至表示势阱的AlywInxwGa1-xw-ywN型的层的载体吸引层，表示势阱以减小发光衰减时间；在氮化物半导体层(3、4)的最高的活性双层上方，以远离基底(1)的方向设有至少一个顶部氮化物半导体层(6)。
2.根据权利要求1所述的闪烁探测器，其特征在于，为了在GaN缓冲层上制备的外延平面中的张力的相互补偿，阻挡层和表示势阱的层的构成和厚度符合|d1·(4.3·xw–yw)+d2·(4.3·xb-yb)|≤1的关系，其中厚度(d1、d2)以纳米输入。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的闪烁探测器，其特征在于，异质结构的活性部分包括氮化物半导体层(4、5)的至少两个活性双层，且该异质结构的活性部分的总厚度(h)超过200nm。
4.根据权利要求1所述的闪烁探测器，其特征在于，底部氮化物半导体层(3)为AlyInxGa1-x-yN型，其中0≤x<0.5和0≤y<0.5有效。
5.根据权利要求1所述的闪烁探测器，其特征在于，从顶部氮化物半导体层(6)的外表面、以至少1μm的深度、用IV族元素的原子对异质结构进行掺杂。
6.根据权利要求5所述的闪烁探测器，其特征在于，该闪烁探测器涉及达到1019cm-3浓度的硅原子。
7.根据权利要求1所述的闪烁探测器，其特征在于，单晶基底(1)由来自钇铝钙钛矿、GaN单晶形或蓝宝石族的材料制造。
8.根据权利要求7所述的闪烁探测器，其特征在于，当缓冲层(2)用AlyInxGa1-x-yN形成且其厚度(t4)小于50nm时，单晶基底(1)由掺杂有稀土的钇铝钙钛矿形成。
9.根据权利要求8所述的闪烁探测器，其特征在于，该稀土由铈表示。
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