CZ2011834A3

CZ2011834A3 - Scintillation detection unit with increased radioresistance

Info

Publication number: CZ2011834A3
Application number: CZ20110834A
Authority: CZ
Inventors: Horodyský@Petr; Blazek@Karel
Original assignee: Crytur Spol. S R. O.
Priority date: 2011-12-16
Filing date: 2011-12-16
Publication date: 2013-06-26

Abstract

Scintilacní detekcní jednotka pro detekci elektronu, iontu a fotonu sendvicové struktury strídajících se monokrystalických vrstev materiálu kvantové jámy a monokrystalických vrstev materiálu bariéry kvantové jámy spocívá podle resení v tom, ze materiálem kvantové jámy nebo materiálem bariéry kvantové jámy je oxid zinecnaný. Polovodic ZnO je s výhodou kombinován s dalsím polovodicem z mnoziny Mg.sub.x.n.Zn.sub.1-x.n.O nebo Zn.sub.1-y.n.Cd.sub.y.n.O nebo Ga.sub.1-z.n.Al.sub.z.n.N.The scintillation detection unit for detecting the electron, ion and photon of the sandwich structure of the alternating monocrystalline layers of the quantum pit material and the monocrystalline layers of the quantum pit barrier material is that zinc oxide is the quantum pit material or the quantum pit barrier material. The ZnO semiconductor is preferably combined with another semiconductor of Mg.sub.x.n.Zn.sub.1-x.n.O or Zn.sub.1-y.n.Cd.sub.y. or Ga.sub.1.

Description

Scintilační detekční jednotka se zvýšenou radiační odolnostíScintillation detection unit with increased radiation resistance

Oblast technikyTechnical field

Předkládaný vynález se týká scintilační detekční jednotky pro detekci nízkoenergetických elektronů, iontů a nízkoenergetického Roentgenova záření. Detekční jednotka se uplatní zejména v elektronových mikroskopech, hmotnostních spektrometrech a jiných zařízeních využívajících fokusované elektronové a iontové svazky. Dále se uplatní jako projekční scintilační stínítko pro svazky nízkoenergetického synchrotronového a Roentgenova záření.The present invention relates to a scintillation detection unit for detecting low energy electrons, ions and low energy Roentgen radiation. The detection unit is particularly useful in electron microscopes, mass spectrometers and other devices using focused electron and ion beams. It is also used as a projection scintillation screen for low-energy synchrotron and Roentgen beams.

Dosavadní stav technikyBACKGROUND OF THE INVENTION

Dnešní generace elektronových mikroskopů a jiných zařízení využívajících svazky elektronů a iontů používá k detekci signálu detektory scintilační nebo polovodičové anebo detektory využívající kanálkové násobiče. Scintilační detekční jednotky jsou nejčastěji založeny na použití materiálů Y2SiO₅:Ce, Y3AI₅0i₂:Ce nebo YAIOsOe. Rychlost detektoru je dána dosvitem zářivého centra - atomu ceru, který se pro tyto materiály pohybuje v rozmezí 25-75 ns. Polovodičové detekční jednotky mají jiné omezení dané zejména kapacitancí p-n přechodu, která prakticky vylučuje jejich použití v detekci záření s časovou konstantou lepší než 100 ns. Třetí typ detektoru, kanálkové násobiče, jsou schopny operovat s minimální časovou konstantou asi 2Ó ns.Today's generation of electron microscopes and other electron-ion beam devices use scintillation or semiconductor detectors or channel multiplier detectors to detect the signal. Scintillation detection units are most often based on the use of materials Y2SiO _5: Ce, Y3AI ₅ 0i _2: Ce or YAIOsOe. The speed of the detector is given by the afterglow of the radiating center - the cerium atom, which ranges from 25-75 ns for these materials. Semiconductor detection units have other limitations due mainly to pn junction capacitance, which practically excludes their use in radiation detection with a time constant better than 100 ns. A third type of detector, channel multipliers, is capable of operating with a minimum time constant of about 20 ns.

Scintilační detektory mohou operovat ještě s kratší dobou odezvy, pokud lze připravit materiál s dostatečně rychlými optickými přechody. Těmi mohou být zejména excitonové stavy v polovodičích s přímým zakázaným pásem. Jako příklad lze uvést materiály GaAs, CdTe, ZnO, GaN, diamant a zářivé excitonové přechody vztažené k mělkým příměsím. Jedná se tedy o využití optických vlastností polovodiče a nikoli elektrických vlastností, což je mnohem běžnější. Bohužel, i nejkvalitnější reálné monokrystalické objemové polovodiče obsahují celou řadu defektů, které vytvářejí další stavy pro optické přechody, které nejsou excitonové a které jsou pomalé. Proto nelze reálný objemový polovodič použít jako scintilátor s časovou odezvou kratší než cca 500 ns.Scintillation detectors can operate with even shorter response times if material with sufficiently fast optical transitions can be prepared. These may in particular be exciton states in semiconductors with a straight band gap. Examples include GaAs, CdTe, ZnO, GaN, diamond, and radiant exciton transitions relative to shallow impurities. It is therefore the use of the optical properties of the semiconductor and not the electrical properties, which is much more common. Unfortunately, even the highest quality real monocrystalline volume semiconductors contain a number of defects that create additional states for non-exciton optical transitions that are slow. Therefore, a real volume semiconductor cannot be used as a scintillator with a response time of less than about 500 ns.

Vrstevnaté polovodičové struktury označované jako jednoduché či vícenásobné tzv. kvantové jámy jsou známé od 80. let. Tyto struktury vznikají postupnou depozicí jednotlivých monomolekulárních krystalových vrstev na dokonalém monokrystalickém povrchu substrátu. Označení kvantová jáma („Quantum Well“) se používá pro vrstevnatou strukturu z různých krystalických polovodičů, kde se střídají vrstvy s odlišnými hodnotami energií zakázaného pásu. Nejjednodušší struktura se skládá z vrstvy materiálu kvantové jámy, která je obklopena vrstvami materiálu kvantové bariéry. Fyzikální podstatou je vytvoření umělého průběhu energetického potenciálu, který omezuje pohyb volných částic v jednom směru. Tento průběh potenciálu stanovuje volným částicím excitonů diskrétní hodnoty energie dle základních pravidel kvantové mechaniky, podobně jako diskrétní energie elektronů v atomu. Takto vzniklé diskrétní excitonové stavy mají vlastnosti dané tloušťkou jednotlivých vrstev a jejich chemickým složením. Při volbě tloušťky vrstev kvantových jam v řádu nanometrů a tloušťce bariér v řádu jednotek až desítek nanometrů lze dosáhnout toho, že doba života volných excitonů v takové struktuře bude v řádu nanosekund či stovek pikosekund. Výhodou takovéto vrstevnaté polovodičové struktury oproti objemovému polovodiči je to, že doba doznívání luminiscence ze struktury může být méně než 1 ns. Další výhodou je, že scintilační účinnost vrstevnaté struktury je vyšší ve srovnání s objemovým monokrystalem. Důvodem je to, že zářivé přechody vytvořené strukturou kvantových jam jsou rychlejší než v objemovém materiálu a tím se snižuje pravděpodobnost nezářivé rekombinace volných nosičů náboje.Layered semiconductor structures known as single or multiple so-called quantum pits have been known since the 1980s. These structures are formed by gradual deposition of individual monomolecular crystal layers on the perfect monocrystalline surface of the substrate. The term “Quantum Well” is used for a layered structure of different crystalline semiconductors, where layers with different values of the energy of the forbidden strip alternate. The simplest structure consists of a layer of quantum pit material that is surrounded by layers of quantum barrier material. The physical principle is to create an artificial course of energy potential that limits the movement of free particles in one direction. This potential curve determines the free particles of excitons with discrete energy values according to the basic rules of quantum mechanics, similar to the discrete energy of electrons in an atom. The resulting discrete exciton states have properties given by the thickness of individual layers and their chemical composition. By selecting the layer thickness of quantum wells in the order of nanometers and the thickness of the barriers in the order of units to tens of nanometers, the lifetime of free excitons in such a structure can be achieved in the order of nanoseconds or hundreds of picoseconds. An advantage of such a layered semiconductor structure over a bulk semiconductor is that the luminescence decay time from the structure may be less than 1 ns. Another advantage is that the scintillation efficiency of the layered structure is higher compared to the bulk single crystal. This is because the radiant transitions created by the structure of quantum wells are faster than in bulk material, thereby reducing the likelihood of non-radiative recombination of free charge carriers.

Vzhledem k technologickým možnostem růstu polovodičových sendvičových struktur lze připravit pouze omezeně tlusté vrstvy. Při současných technologických možnostech je maximální tloušťka nejvýše několik mikrometrů. Pro některé materiálové systémy je to maximálně několik stovek nanometrů či pouze desítky nanometrů. Proto lze takovou strukturu prakticky využít pouze pro detekci ionizujícího záření, které se dostatečně absorbuje ve velmi tenké vrstvě pevné látky. Takovým zářením jsou elektrony s energií 10 eV - 30 keV, protony a ionty s energií 10 eV - 1 MeV a fotony s energií 1 keV-15 keV.Due to the technological possibilities of growth of semiconductor sandwich structures, only thinly thick layers can be prepared. With the current technological possibilities, the maximum thickness is a maximum of several micrometers. For some material systems, it is a few hundred nanometers or only tens of nanometers. Therefore, such a structure can practically only be used to detect ionizing radiation that is sufficiently absorbed in a very thin layer of solid. Such radiation is electrons with energy of 10 eV - 30 keV, protons and ions with energy of 10 eV - 1 MeV and photons with energy of 1 keV-15 keV.

Detektor ionizujícího záření pod účinkem absorbovaného ionizujícího záření degraduje, jeho účinnost klesá a tím je jeho životnost omezena. Absorbovaná energie generuje v materiálu poruchy v krystalové mříži. Tím se mění struktura elektrických defektů - mění se elektrické vlastnosti. Nově vzniklé defekty mohou rovněž být nezářivými pastmi pro volné nosiče náboje, což snižuje účinnost scintilace. Obecně jsou všechny polovodičové materiály mnohem méně radiačně odolné než scintilační monokrystaly YaSiOsOe, Y3AI₅Oi2:Ce nebo ΥΑΙΟβΌβ. Při použití pro detekci sekundárních elektronů v rastrovacím mikroskopu mají např. organické scintilátory životnost v řádu stovek až tisíců hodin, což je nedostatečné. V případě scintilátoru založeného na kvantových jamách GaN/GalnN je životnost delší, ale přesto je nedostatečná pro bezúdržbový chod rastrovacího elektronového mikroskopu. Proto je radiační odolnost materiálu detekční jednotky velice důležitá.The ionizing radiation detector degrades under the effect of absorbed ionizing radiation, its efficiency decreases and thus its service life is limited. The absorbed energy generates defects in the crystal lattice in the material. This changes the structure of electrical defects - the electrical properties change. The newly formed defects may also be non-radiant traps for loose charge carriers, which reduces scintillation efficiency. Generally, all semiconductor materials is much less than radiation hardened scintillation monocrystals YaSiOsOe, Oi2 Y3AI _5: Ce ΥΑΙΟβΌβ. When used to detect secondary electrons in a scanning microscope, for example, organic scintillators have a life span of hundreds to thousands of hours, which is insufficient. In the case of a GaN / GalnN quantum well scintillator, the lifetime is longer, but still insufficient for the maintenance-free operation of the scanning electron microscope. Therefore, the radiation resistance of the detection unit material is very important.

Patent US7030388B2 popisuje využití vrstevnatých struktur jako rychlého scintilačního detektoru v případě struktury složené z materiálů GaN a Ga-|._zln_zN.US7030388B2 discloses the use of layered structures as a fast scintillation detector for a structure composed of GaN and Ga- 1 materials. _of ln _of N.

Patentová přihláška PV 2011-106 popisuje jinou vrstevnatou strukturu založenou na kombinaci arsenidů a směsných arsenidů-fosfidů.The patent application PV 2011-106 discloses another layered structure based on a combination of arsenides and mixed arsenides-phosphides.

Podstata vynálezuSUMMARY OF THE INVENTION

Uvedené nevýhody odstraňuje rychlá scintilační detekční jednotka pro detekci elektronů, iontů a fotonů sendvičové struktury se střídajícími vrstvami materiálu kvantové jámy a materiálu bariery kvantové jámy, která podle vynálezu obsahuje nejméně jednu monokrystalovou vrstvu materiálu kvantové jámy a nejméně dvě monokrystalové Vrstvy materiálu bariéry kvantové jámy, kde materiálem kvantové jámy nebo materiálem bariéry kvantové jámy je oxid zinečnatý (ZnO).These disadvantages are overcome by a fast scintillation detection unit for the detection of electrons, ions and photons of a sandwich structure with alternating layers of quantum pit material and quantum pit material, which according to the invention comprises at least one single crystal layer of quantum pit material and at least two single crystal layers of quantum pit material. the quantum pit material or the quantum pit barrier material is zinc oxide (ZnO).

S výhodou materiál kvantové jámy je ZnO o tloušťce 2 až 10 nm, a materiál bariéry kvantové jámy je oxid zinečnato-hořečnatý Mg_xZn-|._xO o tloušťce 10 až 100 nm; přičemž 0<x<0,3.Preferably, the quantum pit material is ZnO with a thickness of 2 to 10 nm, and the quantum pit barrier material is zinc-magnesium oxide Mg _x Zn-. _x 0 with a thickness of 10 to 100 nm; wherein 0 < x < 0.3.

S výhodou je materiál kvantové jámy oxid zinečnato-kademnatý Zn-|._yCdyO o tloušťce 2 až 10 nm ; přičemž 0<y<0,1; a materiál bariéry kvantové jámy je oxid zinečnatý ZnO o tloušťce 10 až 100 nm.Preferably, the quantum pit material is zinc cadmium oxide. _γ CdyO with a thickness of 2 to 10 nm; wherein 0 < y <0.1; and the quantum pit barrier material is zinc oxide having a thickness of 10 to 100 nm.

S výhodou je materiál kvantové jámy oxid zinečnatý ZnO o tloušťce 10 až100 nm a materiál bariéry kvantové jámy je nitrid hlinito-galitý Ga-|._ZAI_ZN o tloušťce 2 až 10 nm ; přičemž 0<z<0,3.Preferably, the quantum pit material is zinc oxide having a thickness of 10-100 nm and the quantum pit barrier material is Ga-1 aluminum-aluminum nitride. _Z Al _Z N 2-10 nm thick; wherein 0 < z < 0.3.

Vynález spočívá v kombinaci polovodičové monokrystalové vrstvy ZnO s dalšími monokrystalovými vrstvami polovodičů z množiny Mg_xZn-|._xO nebo Zn-i.yCdyO nebo Gai__zAl_zN v detekční jednotce pro detekci elektronů, iontů nebo fotonů.The invention consists in combining a semiconductor single crystal ZnO layer with other single crystal semiconductor layers of the Mg _x Zn- set. _x O or Zn-i.yCdyO or Ga1 _from Al _from N in an electron, ion or photon detection unit.

Scintilační polovodičová detekční jednotka se skládá ze střídajících se vrstev materiálu kvantové jámy a materiálu kvantové bariéry. Každá vrstva materiálu kvantové jámy je obklopena materiálem kvantové bariéry. Tloušťky všech vrstev kvantových jam jsou obvykle stejné, ale není to podmínkou. Tloušťky všech vrstev bariér kvantových jam jsou obvykle stejné, ale není to podmínkou. Sendvičová struktura je připravená epitaxním růstem na vhodném substrátu. Substrát je nutný pro samotnou přípravu sendvičové struktury, ne však pro její funkčnost. Obvykle je substrát součástí sendvičové struktury kvůli lepší mechanické manipulovatelnosti.The scintillation semiconductor detection unit consists of alternating layers of quantum pit material and quantum barrier material. Each layer of quantum pit material is surrounded by a quantum barrier material. The thicknesses of all quantum well layers are usually the same, but this is not a requirement. The thicknesses of all quantum well barrier layers are usually the same, but this is not a requirement. The sandwich structure is prepared by epitaxial growth on a suitable substrate. The substrate is necessary for the preparation of the sandwich structure itself, but not for its functionality. Typically, the substrate is part of a sandwich structure for better mechanical handling.

Pomocí epitaxních růstových technologií lze připravit sendvičové struktury podle vynálezu, běžně označované jako jednoduché či vícenásobné kvantové jámy (Multi Quantum. Well). Tyto struktury vznikají postupnou depozicí jednotlivých monomolekulárních krystalových vrstev na dokonalém monokrystalickém povrchu substrátu. Oxidové materiály mají výrazně jiné chemické vlastnosti než ostatní polovodiče. Příprava polovodičových oxidových materiálů je rovněž odlišná, neboť kyslík je při běžném tlaku a teplotě v plynné fázi narozdíl od ostatních prvků, ze kterých se ostatní polovodiče obvykle skládají. Na rozdíl od polovodičů typu lll-V (např. arsenidy nebo fosfidy nebo směsné arsenidy-fosfidy) třídu oxidů polovodičů typu ll-VI lze připravit pouze speciálními variantami metody epitaxe molekulárních svazků („Molecular Beam Epitaxy“). Tyto metody se označují jako „plasmou asistovaná epitaxe molekulárních svazků“ nebo jako „reaktivní epitaxe molekulárních svazků“.By using epitaxial growth technologies, sandwich structures according to the invention, commonly referred to as single or multiple quantum wells, can be prepared. These structures are formed by gradual deposition of individual monomolecular crystal layers on the perfect monocrystalline surface of the substrate. Oxide materials have significantly different chemical properties than other semiconductors. The preparation of semiconductor oxide materials is also different since oxygen is in the gas phase at normal pressure and temperature, unlike the other elements that the other semiconductors usually consist of. Unlike III-V semiconductors (eg, arsenides or phosphides or mixed arsenides-phosphides), the class II-VI semiconductor oxide class can only be prepared by special variants of the Molecular Beam Epitaxy method. These methods are referred to as "plasma assisted molecular beam epitaxy" or "reactive molecular beam epitaxy".

Monokrystalický polovodič ZnO je radiačně odolnější než GaN nebo Si nebo GaAs dle J. Benz et al., Mater. Res. Soc. Symp. Proč. , Vol. 1201 1201-H01-08 (2010).The monocrystalline ZnO semiconductor is more radiation resistant than GaN or Si or GaAs according to J. Benz et al., Mater. Res. Soc. Symp. Why. , Vol. 1201 1201-H01-08 (2010).

Monokrystal oxidu zinečnatého ZnO je zástupcem skupiny polovodičů ll-VI. Má přímý zakázaný pás energií 3,3 eV, podobně jako GaN, a lze jej tudíž použít rovněž pro modře a UV emitující svítící diody nebo polovodičové lasery. Tenké vrstvy monokrystalu ZnO lze připravovat, opět podobně jako GaN, na safírových substrátech, neboť má podobnou mřížkovou konstantu a krystalizuje rovněž v hexagonální soustavě. Pro přípravu kvantových jam lze použít několik kombinací materiálů a substrátů. Substrátem může být s výhodou monokrystalický safír, nebo monokrystal ZnO či GaN. Tyto substráty mají velmi podobné mřížkové konstanty a proto na nich narostlé vrstvy budou mít minimum strukturních defektů. Pro samotné materiály kvantové jámy a kvantové bariéry lze použít tyto kombinace: ZnO/Mg_xZn-|. xO nebo ZnO/Zm.yCdyO nebo ZnO/GaN nebo ZnO/Ga-|._zAl_zN.The zinc oxide single crystal ZnO is representative of the II-VI semiconductor family. It has a direct banned band of 3.3 eV, similar to GaN, and can therefore also be used for blue and UV-emitting diodes or semiconductor lasers. Thin layers of ZnO single crystal can be prepared, again like GaN, on sapphire substrates because it has a similar lattice constant and crystallizes also in hexagonal system. Several combinations of materials and substrates can be used to prepare quantum wells. The substrate may preferably be a single crystal sapphire, or a single crystal ZnO or GaN. These substrates have very similar lattice constants and therefore the layers grown on them will have minimal structural defects. The following combinations can be used for quantum pit and quantum barrier materials alone: ZnO / Mg _x Zn- | xO or ZnO / ZnO / GaN or ZnO / GaN. _from Al _from N.

Materiál ZnO má mezi materiály Gai._uAs_uP, Gai._zAl_zN největší efektivní hmotu volného elektronu, což se projevuje rychlejší scintilační odezvou oproti materiálům Ga^uASuP enbo Ga-|._ZAI_ZN.ZnO material has Gai among the materials. _u As _u P, Gai. _of Al _from N, the largest effective mass of free electron, which results in a faster scintillation response compared to Ga? uASuP or Ga-? _From AI _From N.

Polovodiče ZnO nebo Mg_xZni__xO nebo Zni__yCd_yO mají vyšší radiační odolnost než polovodič Gai._xln_xN dle J. Benz et al., Mater. Res. Soc. Symp. Proč. , Vol. 1201 1201-H01-08 (2010).The semiconductors ZnO or Mg _x Zn- _x O or Zn- _y Cd _y O have higher radiation resistance than the semiconductor Gai. _x ln _x N according to J. Benz et al., Mater. Res. Soc. Symp. Why. , Vol. 1201 1201-H01-08 (2010).

Materiály popsané v PV 2011-106 založené na kombinaci arsenidů a směsných arsenidů-fosfidů vyzařují scintilační světlo v infračervené oblasti mezi 600 až 900 nm. Spektrum vyzařovaných vlnových délek materiálů ZnO/Mg_xZn-|._xO nebo ZnO/Zni._yCd_yO nebo ZnO/GaN nebo ZnO/Gai._zAl_zN leží v rozmezí 250 až 500 nm. Fotodetektor, kterým se detekuje scintilační světlo, je v naprosté většině případů fotonásobič. Fotodetektor fotonásobič je mnohonásobně citlivější v oblasti 250 až500 nm než v oblasti 600 až 900 nm.The materials described in PV 2011-106 based on a combination of arsenides and mixed arsenides-phosphides emit scintillation light in the infrared range between 600 and 900 nm. Radiated wavelength spectrum of ZnO / Mg _x Zn- | _x O or ZnO / Zni. _y Cd _y O or ZnO / GaN or ZnO / Gai. _z Al _of N lies in the range of 250 to 500 nm. In most cases, the photodetector that detects scintillation light is a photomultiplier. The photodetector photomultiplier is many times more sensitive in the 250 to 500 nm range than in the 600 to 900 nm range.

Rychlá scintilační detekční jednotka sendvičové struktury podle vynálezu je vhodná pro nízkoenergetické elektrony, ionty a další ionizující záření jako např. roentgenové fotony. Výhodou vynálezu oproti US7030388B2 je větší radiační odolnost a delší životnost. Výhodou předloženého vynálezu vůči PV 2011-106 je mnohonásobně lepší detekční účinnost daná lepší spektrální citlivostí fotodetektoru, kterým je fotonásobič. Vyšší citlivost fotodetektoru lze s úspěchem využít v rastrovacím mikroskopu pro zvýšení kvality obrazu ze scintilačního detektoru. Další výhodou vynálezu oproti US7030388B2 a PV 2011-106 je rychlejší scintilační odezva.The fast scintillation detection unit of the sandwich structure of the invention is suitable for low energy electrons, ions and other ionizing radiation such as X-ray photons. The advantage of the invention over US7030388B2 is greater radiation resistance and longer life. The advantage of the present invention over PV 2011-106 is the much better detection efficiency given by the better spectral sensitivity of the photodetector, which is a photomultiplier. The higher sensitivity of the photodetector can be successfully used in a scanning microscope to enhance the image quality from a scintillation detector. Another advantage of the invention over US7030388B2 and PV 2011-106 is a faster scintillation response.

Přehled obrázkůOverview of pictures

Obr. 1 je schématický boční pohled na průřez vrstevnatou sendvičovou strukturou a substrátem 1. Vyobrazená sendvičová struktura se skládá ze dvou vrstev materiálu kvantové jámy 3 a ze tří vrstev materiálu kvantové bariéry 2.Giant. 1 is a schematic side cross-sectional view of a layered sandwich structure and substrate 1. The sandwich structure shown comprises two layers of quantum pit material 3 and three layers of quantum barrier material 2.

Příklad uskutečnění vynálezuDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

Příklad 1Example 1

Příkladem rychlého detektoru je struktura dle Obr. 1 obsahující 2 kvantové jámy. Substrátem 1_ je v tomto případě deska tvořená monokrystalem polovodiče ZnO v orientaci (0001). Materiálem kvantové bariéry 2 je Zno.esMgo.isO, Materiálem kvantové jámy 3 je ZnO. Tloušťka vrstev typu 2 je v tomto příkladě stejná a činí 100An example of a fast detector is the structure of FIG. 1 containing 2 quantum pits. The substrate 7 is in this case a plate formed by a single crystal of the ZnO semiconductor in the orientation (0001). The material of quantum barrier 2 is Zno.esMgo.isO, the material of quantum pit 3 is ZnO. The thickness of the Type 2 layers in this example is the same and is 100

nm. Tloušťka vrstev typu 3 je v tomto příkladě stejná a činí 5 nm. Při dopadu svazku elektronů o energii 10 keV sendvičová struktura emituje světlo s maximem spektrálního pásu 350 nm. V pásu 350 nm je emitováno více než 95% intenzity světla z celého optického spektra. Při pulzním buzení křivka dosvitu v čase exponenciálně klesá. Intenzita světla klesne na hodnotu 1/e, kde e je základem přirozeného logaritmu, za dobu kratší než 0,1 ns.nm. The thickness of the Type 3 layers in this example is the same and is 5 nm. When a 10 keV electron beam strikes the sandwich structure, it emits light with a maximum spectral band of 350 nm. In the 350 nm band, more than 95% of the light intensity is emitted from the entire optical spectrum. With pulse excitation, the afterglow curve decreases exponentially over time. The light intensity drops to 1 / e, where e is the basis of the natural logarithm, in less than 0.1 ns.

Příklad 2Example 2

Jiným příkladem rychlého detektoru je struktura odvozená od Obr. 1 tak, že je přidán počet vrstev dvojic, t.j. počet period, materiálu kvantové jámy 3 a kvantové bariéry 2. Substrátem 1 je v tomto případě monokrystal ZnO v orientaci (0001). Následuje 40 dvojic vrstev 3 a 2. Tloušťky vrstev typu 2 jsou 3 nm a jsou stejné a jsou tvořeny materiálem Zno.gsCdo.osO. Vrstvy typu 3 jsou z materiálu ZnO a mají tloušťku 80 nm. Celková tloušťka struktury je 3320 nm. Při dopadu svazku elektronů o energii 20 keV jsou všechny elektrony absorbovány a energie je vyzářena jako světlo s maximem spektrálního pásu 400 nm. V pásu 400 nm je emitováno více než 95% intenzity světla z celého optického spektra. Při pulzním buzení křivka dosvitu v čase exponenciálně klesá. Intenzita světla klesne na hodnotu 1/e, kde e je základem přirozeného logaritmu, za dobu kratší než 60 ps.Another example of a fast detector is a structure derived from FIG. 1 by adding the number of pairs layers, i.e. the number of periods, the material of the quantum well 3 and the quantum barrier 2. In this case, the substrate 1 is a single crystal ZnO in orientation (0001). The following are 40 pairs of layers 3 and 2. The thicknesses of the type 2 layers are 3 nm and are the same and consist of Zno.gsCdo.osO. Type 3 layers are made of ZnO and have a thickness of 80 nm. The total thickness of the structure is 3320 nm. When an electron beam reaches 20 keV, all electrons are absorbed and the energy is emitted as light with a maximum spectral band of 400 nm. In the 400 nm band, more than 95% of the light intensity is emitted from the entire optical spectrum. With pulse excitation, the afterglow curve decreases exponentially over time. The light intensity drops to 1 / e, where e is the basis of natural logarithm, in less than 60 ps.

Průmyslová využitelnostIndustrial applicability

Extrémně rychlá scintilační detekční jednotka může být použita pro detekci zpětně odražených nebo sekundárních elektronů v rastrovacím elektronovém mikroskopu. Dále lze ji použít pro rychlou detekci jiných fokusovaných i nefokusovaných svazků elektronů a iontů, např. v hmotnostních spektrometrech. Vrstevnatou strukturu lze použít i jako zobrazovací scintilační stínítko s velmi krátkou dobou dosvitu.An extremely fast scintillation detection unit can be used to detect backscattered or secondary electrons in a scanning electron microscope. It can also be used for rapid detection of other focused and non-focused electron and ion beams, eg in mass spectrometers. The layered structure can also be used as an imaging scintillation screen with a very short afterglow time.

Claims

PATENT CLAIMS

A scintillation detection unit for the detection of electrons, ions and photons of a sandwich structure of alternating monocrystalline layers of a quantum pit material (3) and monocrystalline layers of a quantum pit (2) barrier material (3), characterized in that the quantum pit material (3) or material The barrier (2) of the quantum well (3) is zinc oxide.

Scintillation detection unit according to claim 1, characterized in that the material of the quantum well (3) is zinc oxide having a thickness of 2 to 10 nm, and the material of the barrier (2) of the quantum well (3) is zinc-magnesium oxide Mg _x Zn - |. _X 0 with a thickness of 10 to 100 nm; wherein 0 < x < 0.3.

Scintillation detection unit according to claim 1, characterized in that the material of the quantum well (3) is zinc cadmium oxide Zni. _γ C d _y 0 having a thickness of 2 to 10 nm; wherein 0 < y <0.1; and the quantum pit barrier (2) barrier material (3) is zinc oxide having a thickness of 10 to 100 nm.

Scintillation detection unit according to claim 1, characterized in that the material of the quantum well (3) is zinc oxide having a thickness of 2 to 10 nm and the material of the barrier (2) of the quantum well (3) is aluminum-gallium nitride. _Z Al _Z N having a thickness of 10 to 100 nm; wherein 0 < z < 0.3.

Scintillation detection unit according to claims 1 to 4, characterized in that the number of layers of the quantum pit material (3) and the number of layers of the quantum barrier material (2) are at least 20.

Scintillation detection unit according to claims 1 to 4, characterized in that the total thickness of the scintillation detection unit is at least 500 nm.