CZ2017556A3 - Scintilační detektor pro detekci ionizujícího záření - Google Patents
Scintilační detektor pro detekci ionizujícího záření Download PDFInfo
- Publication number
- CZ2017556A3 CZ2017556A3 CZ2017-556A CZ2017556A CZ2017556A3 CZ 2017556 A3 CZ2017556 A3 CZ 2017556A3 CZ 2017556 A CZ2017556 A CZ 2017556A CZ 2017556 A3 CZ2017556 A3 CZ 2017556A3
- Authority
- CZ
- Czechia
- Prior art keywords
- layer
- thickness
- potential
- heterostructure
- active region
- Prior art date
Links
- 230000005865 ionizing radiation Effects 0.000 title claims abstract description 19
- 238000001514 detection method Methods 0.000 title description 8
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 40
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 claims abstract description 32
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 claims abstract description 32
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims abstract description 28
- 238000005036 potential barrier Methods 0.000 claims abstract description 7
- 230000005012 migration Effects 0.000 claims abstract description 5
- 238000013508 migration Methods 0.000 claims abstract description 5
- 230000006798 recombination Effects 0.000 claims abstract description 3
- 238000005215 recombination Methods 0.000 claims abstract description 3
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 16
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims description 8
- 238000000407 epitaxy Methods 0.000 claims description 5
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 4
- 102000001999 Transcription Factor Pit-1 Human genes 0.000 claims 1
- 108010040742 Transcription Factor Pit-1 Proteins 0.000 claims 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims 1
- JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N Gallium nitride Chemical compound [Ga]#N JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 20
- 229910002601 GaN Inorganic materials 0.000 description 19
- 238000004020 luminiscence type Methods 0.000 description 16
- 239000002800 charge carrier Substances 0.000 description 13
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 9
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 7
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 7
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 239000000463 material Substances 0.000 description 5
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 5
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 4
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000005136 cathodoluminescence Methods 0.000 description 4
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 4
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 4
- 238000002488 metal-organic chemical vapour deposition Methods 0.000 description 4
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 3
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 description 3
- APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N indium atom Chemical compound [In] APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000000149 penetrating effect Effects 0.000 description 3
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 2
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 2
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 229910017464 nitrogen compound Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000002830 nitrogen compounds Chemical class 0.000 description 2
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 2
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 2
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 2
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 2
- GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N Gallium Chemical compound [Ga] GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000006978 adaptation Effects 0.000 description 1
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 238000005352 clarification Methods 0.000 description 1
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 1
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000009499 grossing Methods 0.000 description 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 1
- 230000005433 particle physics related processes and functions Effects 0.000 description 1
- 230000002688 persistence Effects 0.000 description 1
- 238000005424 photoluminescence Methods 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 238000002601 radiography Methods 0.000 description 1
- 230000002269 spontaneous effect Effects 0.000 description 1
- 230000005428 wave function Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01T—MEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
- G01T1/00—Measuring X-radiation, gamma radiation, corpuscular radiation, or cosmic radiation
- G01T1/16—Measuring radiation intensity
- G01T1/20—Measuring radiation intensity with scintillation detectors
- G01T1/202—Measuring radiation intensity with scintillation detectors the detector being a crystal
- G01T1/2026—Well-type detectors
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
- H01L31/0256—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by the material
- H01L31/0264—Inorganic materials
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
- H01L31/0256—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by the material
- H01L31/0264—Inorganic materials
- H01L31/0304—Inorganic materials including, apart from doping materials or other impurities, only AIIIBV compounds
- H01L31/03044—Inorganic materials including, apart from doping materials or other impurities, only AIIIBV compounds comprising a nitride compounds, e.g. GaN
Landscapes
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- High Energy & Nuclear Physics (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Measurement Of Radiation (AREA)
- Luminescent Compositions (AREA)
Abstract
Scintilační detektor pro detekci ionizujícího záření zahrnující alespoň dvě nitridové polovodičové vrstvy (3, 4, 5, 6) uspořádané do vrstvené heterostruktury, jejíž struktura obsahuje alespoň jednu vrstvu (5) potenciálové jámy pro zářivé rekombinace elektronů a děr, a dále zahrnující aktivní oblast heterostruktury sestávající z alespoň jedné aktivní dvojice nitridových polovodičových vrstev (4, 5) složené z bariérové vrstvy (4) a z vrstvy (5) potenciálové jámy, přičemž je nad nejvýše se nacházející aktivní dvojicí vrstev (4, 5) uspořádána alespoň jedna vrchní nitridová polovodičová vrstva (7). Dále je na alespoň jedné straně aktivní oblasti a/nebo uvnitř aktivní oblasti je vložena alespoň jedna vrstva (6) s gradovaným složením, která sousedí s krajní vrstvou (5) potenciálové jámy, pro snížení potenciálové bariéry a usnadnění migrace elektronů a děr do aktivní oblasti heterostruktury.
Description
Oblast techniky
Vynález se týká polovodičových scintilačních detektorů založených na nitridové heterostruktuře určených pro detekci ionizujícího záření, zejména elektronového, rentgenového a částicového záření.
Dosavadní stav techniky
Je známo, že pro použití v detektorech ionizujícího záření jsou vhodné polovodičové materiály se širokým zakázaným pásem např. GaN nebo ZnO. Tyto polovodičové materiály vykazují krátkou dobu dosvitu excitované luminiscence v řádu jednotek nanosekund. Výhodou scintilátorů založených na nitridu galitém (GaN) a slitinách nitridu galitého s jinými nitridy kovů je radiační odolnost a možnost jejich přípravy s vysokou krystalografickou kvalitou ve formě heterostruktur skládajících se z monokrystalických epitaxních vrstev s různým složením nanesených nad sebou na velkých plochách monokrystalických substrátů. Tyto heterostruktury vykazují nízké nezářivé ztráty a úzké luminiscenční maximum. Nitridové luminiscenční struktury s InGaN kvantovými jamami jsou předmětem řady patentů, týkajících se emisních diod, a dále několika patentů týkajících se scintilátorových struktur.
V přihlášce vynálezu US 2002/0195606 (AI) je řešena luminiscenční nitridová struktura emisní diody obsahující mnohonásobné InGaN/Al(In)GaN kvantové jámy obklopené vrstvami Al(In)GaN s n-typovou dotací z jedné strany aktivní oblasti a s p-typovou dotací z druhé strany aktivní oblasti.
Dalším známým dokumentem je přihláška vynálezu US 2014/0138617 AI, jejíž vynález se zabývá podobnou nitridovou luminiscenční heterostrukturou a mřížkovým přizpůsobením bariérových vrstev a vrstev představujících kvantové jámy, a to podobně, jako předcházející výše uvedený patent v diodové struktuře, kdy je aktivní oblast obklopena vrstvami s p-typovou dotací a s n-typovou dotací, případně vrstvami obsahujícími hliník. Mřížkové přizpůsobení uvažované v této přihlášce vynálezu sice snižuje piezoelektrický náboj na rozhraní vrstev, avšak náboj a bariéry způsobené složkou spontánní polarizace ve struktuře nadále způsobují zakřivení pásové struktury a vznik bariér pro elektrony nebo díry na krajích aktivní oblasti.
Z patentového dokumentu US 7053375 (B2) je znám polovodičový scintilátor pro excitaci ionizujícím zářením ve formě polovodiče tvořeného sloučeninou prvků III. skupiny periodické tabulky ve sloučenině s dusíkem. Tato polovodičová sloučenina je strukturována do vrstvy zformované na obecně popsaném substrátu. Dále může být mezi polovodičovou vrstvou a substrátem mezivrstva pro vyhlazení/zlepšení polovodičové struktury, tzv. podkladová vrstva. Různé sloučeniny dusíku s prvkem III. skupiny a jejich slitiny mohou být použity v odlišných vrstvách nanesených nad sebou a vytvářet heterostruktury.
V dalším známém patentovém dokumentu US 8 164 069 (B2) je popsán fluorescenční prostředek reagující na dopad elektronů světelnou emisí, tzv. luminiscencí. Fluorescenční prostředek zahrnuje nosný monokrystalický substrát, nitridovou polovodičovou sendvičovou strukturu, ve které se střídají vrstvy bariérové s vrstvami reprezentujícími potenciálové jámy. Polovodičové vrstvy vytvářejí heterostrukturu, která je uspořádána na povrchu jedné strany substrátu. Potenciálové jámy jsou preferenčně tvořeny slitinovým polovodičem InxGai_xN.
V českém národním patentu CZ 306026 (B6) je řešena nitridová scintilační heterostruktura s rychlým luminiscenčním dosvitem, který je dosažen zvýšením překryvu vlnových funkcí elektronů a děr, a to buď vyrovnáním polarizace bariérových vrstev s vrstvami představujícími
- 1 CZ 2017 - 556 A3 kvantové jámy, anebo vnořením tenké inverzní potenciálové bariéry do kvantové jámy. Podkladové vrstvy struktury mohou být dotovány křemíkem. Vynález řeší efektivnější excitaci aktivní oblasti, ale nezabývá se usnadněním transportu nosičů náboje do této aktivní oblasti.
Nevýhody výše uvedených patentových dokumentů spočívají v tom, že se buď týkají přímo světelných emisních diod (US 2002/0195606 (AI), US 2014/0138617 (AI)), nebo adoptují koncept využívaný ve světelných emisních diodách s výjimkou absence p-n přechodu ve struktuře a použití vyššího počtu kvantových jam (US 7053375 (B2), US 8164069 (B2)). Výše uvedené dokumenty nezohledňují dostatečně odlišný způsob excitace struktury a nezabývají se efektivitou excitace aktivních vrstev scintilátorů.
U emisních diod dochází k excitaci struktury průchodem elektrického proudu a nosiče náboje (elektrony a díry) jsou injektovány do aktivní oblasti z jejich protilehlých stran, viz obr. l(a). Avšak při excitaci heterostruktury dopadajícím ionizujícím zářením jsou nosiče náboje generovány ve stejném místě heterostruktury, odkud pak musí oba nosiče náboje migrovat do aktivní oblasti ve stejném směru, aby došlo k požadované luminiscenci, je proto nežádoucí, aby bylo ve struktuře přítomno elektrické pole, ať již způsobené p-n přechodem viz obr. l(a), nebo vlastním piezoelektrickým polem mezi rozhraními jednotlivých vrstev viz obr. 1 (b).
V současné době se pro vyrovnání elektrického pole ve struktuře se používá n-typová dotace, a to nejčastěji pomocí atomů křemíku, viz obr. l(c). N-typová dotace pomáhá srovnat elektrické pole v aktivní vrstvě, avšak na krajích aktivní vrstvy, konkrétněji na prvním rozhraní s kvantovou jámou, dochází ke vzniku potenciálové bariéry, která brání průniku jednoho typu nosičů náboje do aktivní oblasti, viz obr. 3a. V případě scintilátorů lze jen výjimečně udělat aktivní oblast dostatečně širokou, aby všechno ionizující záření bylo absorbováno pouze v aktivní vrstvě. Při větších tloušťkách aktivní oblasti totiž dochází ke zhoršení krystalografické kvality vlivem pnutí ve struktuře.
Nevýhody dále spočívají v tom, že výše uvedené patenty neuvažují vznik této bariéry, která při migraci nosičů náboje ve stejném směru brání jednomu z nosičů náboje v průniku do aktivní oblasti, zatímco druhý typ nosičů náboje může penetrovat do aktivní oblasti bez bariéry, viz obr. 3a. Bariéra, která znesnadňuje jednomu z nosičů náboje proniknout do aktivní oblasti, tím podstatně snižuje intenzitu luminiscence.
Úkolem vynálezu je vytvoření scintilačního detektoru pro detekci ionizujícího záření, který by odstraňoval nedostatky známých řešení, tj. který by umožňoval migrovat oběma typům nosičů náboje z místa jejich generace do aktivní oblasti s podobnou pravděpodobností, čímž by byl vytvořen scintilátor emitující intenzivnější luminiscenční odezvu na dopadající ionizující záření.
Podstata vynálezu
Vytčený úkol je vyřešen vytvořením scintilačního detektoru pro detekci ionizujícího záření, zejména elektronového záření, rentgenového záření, a částicového záření, podle tohoto vynálezu.
Scintilační detektor zahrnuje monokrystalický substrát, na kterém je nanesena alespoň jedna podkladová vrstva pro navázání alespoň jedné nitridové polovodičové vrstvy na substrát pomocí epitaxe. Alespoň jedna nitridová polovodičová vrstva je popsána obecným vzorcem AlyInxGai-x_yN, kde platí 0<x<l,0<y<la0< x+y < 1. Současně jsou alespoň dvě nitridové polovodičové vrstvy uspořádány do vrstvené heterostruktury, jejíž struktura obsahuje alespoň jednu vrstvu potenciálové jámy pro zářivé rekombinace elektronů a děr. Dále je na podkladové vrstvě uspořádána alespoň jedna spodní vrstva s n-typovou dotací, nad kterou je uspořádána aktivní oblast heterostruktury sestávající z alespoň jedné aktivní dvojice nitridových polovodičových vrstev složené z bariérové vrstvy typu AlybInXbGai_Xb_ybN a z vrstvy potenciálové jámy typu AlywInxwGai-xw-ywN, pro které platí xb < xw a yb > yw. Dopování n-typovým
-2CZ 2017 - 556 A3 dopantem je využito proto, aby došlo k částečnému vyrovnání piezoelektrického pole ve struktuře. Dále je ve směru od substrátu nad nejvýše se nacházející aktivní dvojicí vrstev uspořádána alespoň jedna vrchní nitridová polovodičová vrstva.
Podstata vynálezu spočívá v tom, že na alespoň jedné straně aktivní oblasti a/nebo uvnitř aktivní oblasti je vložena alespoň jedna vrstva typu AlygInXgGai-Xg-ygN s gradovaným složením o tloušťce menší než 5 nm, která sousedí s vrstvou potenciálové jámy, pro snížení potenciálové bariéry a usnadnění migrace elektronů a děr do aktivní oblasti heterostruktury.
Tato vrstva s gradovaným složením může být pouze na jednom kraji aktivní oblasti podle převažující absorpce ionizujícího záření v heterostruktuře, nebo může být použita na obou stranách aktivní oblasti. Případně může být gradovaná vrstva také použita uvnitř aktivní oblasti, a to zvláště v případě tlustých bariérových vrstev. Účelem této gradované vrstvy je snížit potenciálovou bariéru, kterou musí překonat elektrony nebo díry při průniku do aktivní oblasti z podkladových, nebo z krycích vrstev heterostruktury, ve kterých také dochází k absorpci ionizujícího záření a ke generaci elektron-děrového páru. Takto navržené vrstvy s gradovaným složením tedy usnadní migraci elektronů a děr do aktivní vrstvy, a tím je dosaženo principiálního zvýšení intensity luminiscence při detekci ionizujícího záření, zvláště pokud je ionizující záření absorbováno mimo aktivní vrstvu, jak je ukázáno na obr. 4 a 5. Vypočtený průběh hrany valenčního a vodivostního pásu pro struktury s gradovanými vrstvami je znázorněn na obr. 3 pro gradovanou vrstvu ze strany podkladových vrstev.
Ve výhodném provedení scintilačního detektoru podle vynálezu má vrstva s gradovaným složením plynule se měnící složení. Plynulé složení zlepšuje vlastnosti přenosu nosiče náboje.
Na jedné straně má vrstva s gradovaným složením stejné složení jako spodní vrstva, bariérová vrstva nebo vrchní vrstva, tedy typu AlyPInXpGai-xp-ypN. Ve směru k potenciálové jámě se ale složení vrstvy s gradovaným složením mění tak, že se změní hodnota yp na hodnotu yg, hodnota xp se změní na hodnotu xg, hodnota 1-xp-yp se změní na hodnotu 1-xg-yg, přičemž platí xg < xw a yw < yg. Obsah jednotlivých prvků III. skupiny periodické tabulky prvků se v této vrstvě postupně mění z hodnot v sousedící vrstvě na hodnoty vrstvy potenciálové jámy, tedy např. podíl hliníku se mění ve vrstvě s gradovaným složením z hodnoty yp na hodnotu yg, podíl india se mění z hodnoty xp na xg a podíl gallia z hodnoty 1-xp-yp na hodnotu 1-xg-yg. Přitom platí, že xg<xw a yw<yg, kde hodnoty xp a yp vyjadřují podíl india a hliníku v sousedící vrstvě a hodnoty xw a yw vyjadřují podíl india a hliníku ve vrstvě potenciálové jámy.
Ve výhodném provedení vynálezu se složení vrstvy s gradovaným složením mění z GaN na In0 ,o3Gao,97N.
Mezi výhody scintilačního detektoru vytvořeného podle tohoto vynálezu patří vyšší intenzita luminiscence, dosažená efektivnějším zaplňováním aktivní oblasti elektrony a dírami generovanými v podkladových, nebo v krycích vrstvách, díky snížení potenciálové bariéry pro elektrony, nebo díry, mezi aktivní oblastí a oblastí dominantní generace elektron-děrových párů.
Objasnění výkresů
Uvedený vynález bude blíže objasněn na následujících vyobrazeních, kde:
obr. la znázorňuje schematické vyobrazení průběhu energie hrany vodivostního a valenčního pásu emisní diodové nitridové heterostruktury s potenciálovými jámami podle stávajícího stavu techniky,
-3CZ 2017 - 556 A3 obr. lb znázorňuje schematické vyobrazení průběhu energie hrany vodivostního a valenčního pásu podobné heterostruktury bez přítomnosti dotace okolních vrstev, kdy je výsledné elektrické pole způsobeno polarizačním nábojem na heterorozhraních, obr. lc znázorňuje schematické vyobrazení průběhu energie hrany vodivostního a valenčního pásu podobné heterostruktury s n-typovou dotací 5-101 xcm3 ve vrstvě pod aktivní oblastí, obr. 2 znázorňuje schematické vyobrazení vrstev heterostruktury s vrstvami potenciálových jam podle tohoto vynálezu s vloženou vrstvou s gradovaným složením pod i nad aktivní oblastí, obr. 3a znázorňuje vypočtený průběh hrany valenčního a vodivostního pásu pro strukturu podle stávajícího stavu techniky s n-typovou dotací 5-10lxcm3 ve vrstvě pod aktivní oblastí (s popisem vrstev a zvýrazněnou bariérou pro elektrony na spodním kraji aktivní oblasti), obr. 3b znázorňuje vypočtený hrany valenčního a vodivostního pásu pro strukturu podle tohoto vynálezu s gradovanou vrstvou ze strany podkladových vrstev, obr. 4a znázorňuje srovnání katodo luminiscenčních spekter vzorku s obvyklou strukturou deseti potenciálových jam a vzorku s gradovanými bariérami ze strany podkladových i krycích vrstev podle příkladu 3, kde spektra byla měřena při excitaci elektrony s kinetickou energií 2 keV pro průnik elektronů do struktury 30 nm a generaci elektron děrových párů nad aktivní oblastí, obr. 4b znázorňuje srovnání katodo luminiscenčních spekter vzorku s obvyklou strukturou deseti potenciálových jam a vzorku s gradovanými bariérami ze strany podkladových i krycích vrstev podle příkladu 3, kde spektra byla měřena při excitaci elektrony s kinetickou energií 4 keV pro průnik elektronů do struktury 100 nm a generaci elektron děrových párů nad aktivní oblastí, obr. 4c znázorňuje srovnání katodo luminiscenčních spekter vzorku s obvyklou strukturou deseti potenciálových jam a vzorku s gradovanými bariérami ze strany podkladových i krycích vrstev podle příkladu 3, kde spektra byla měřena při excitaci elektrony s kinetickou energií 12 keV pro průnik elektronů do struktury 600 nm a generaci elektron děrových párů nad aktivní oblastí, obr. 5 a znázorňuje foto luminiscenci vzorku podle příkladu 4 měřenou při excitaci o vlnové délce 325 nm, při které je většina elektron-děrových párů generována mimo aktivní oblast, obr. 5b znázorňuje foto luminiscenci vzorku podle příkladu 4 měřenou při excitaci o vlnové délce 375 nm, při které je většina elektron-děrových párů generována přímo v aktivní oblasti, kde také elektrony a díry rekombinují.
Příklady uskutečnění vynálezu
Rozumí se, že dále popsané a zobrazené konkrétní případy uskutečnění vynálezu jsou představovány pro ilustraci, nikoliv jako omezení vynálezu na uvedené příklady. Odborníci znalí stavu techniky najdou nebo budou schopni zajistit za použití rutinního experimentování větší či menší počet ekvivalentů ke specifickým uskutečněním vynálezu, která jsou zde popsána. I tyto ekvivalenty budou zahrnuty v rozsahu následujících patentových nároků.
Na obr. la až obr. lc je vyobrazen průběh vodivostního a valenčního pásu pro heterostruktury vykazující deset potenciálových jam, kde na obr. la je schematické vyobrazení průběhu energie hrany vodivostního a valenčního pásu emisní diodové nitridové heterostruktury s potenciálovými jámami vnořenými do p-n přechodu.
-4CZ 2017 - 556 A3
Na obr. lb je schematické vyobrazení průběhu energie hrany vodivostního a valenčního pásu podobné heterostruktury bez přítomnosti dotace okolních vrstev, kdy je výsledné elektrické pole způsobeno polarizačním nábojem na heterorozhraních.
Na obr. lc je schematické vyobrazení průběhu energie hrany vodivostního a valenčního pásu podobné heterostruktury s n-typovou dotací 5-1018 cm ’ dle stávajícího stavu techniky.
Na obr. 2 je schematicky vyobrazena vrstvená heterostruktura podle tohoto vynálezu. Přičemž je patrné schematické vyobrazení vrstev 3, 4, 5, 6 a 7 heterostruktury s vrstvami 5 potenciálových jam podle tohoto vynálezu a s vloženými vrstvami 6 s gradovaným složením pod i nad aktivní oblastí vrstvené heterostruktury. Vrstvená heterostruktura je vytvořená na monokrystalickém substrátu 1 s pěti vrstvami 5 potenciálových jam o tloušťce di střídavě proloženými čtyřmi bariérovými vrstvami 4 o tloušťce ch tvořícími aktivní oblast vrstvené heterostruktury o celkové výšce h. Na monokrystalickém substrátu 1 je vytvořena podkladová vrstva 2 o tloušťce t^ pro nanesení spodní vrstvy 3 o tloušťce ti vrstvené heterostruktury epitaxí na monokrystalický substrát E Mezi spodní vrstvu 3 a v pořadí první vrstvu 5 potenciálové jámy je vložena vrstva 6 s gradovaným složením o tloušťce d3 menší než 5 nm. Obdobně je tomu i mezi vrchní vrstvou 7 o tloušťce bav pořadí poslední vrstvou 6 potenciálové jámy.
V nevyobrazeném příkladu uskutečnění vynálezu může být mezi alespoň dvěma vrstvami 4 a 5 aktivní oblasti vložena vrstva 6 s gradovaným složením.
Složení vrstvy 6 s gradovaným složením se mění s rostoucí vzdáleností od sousedící vrstvy ke druhé straně u vrstvy 5 potenciálové jámy. Vrstva 6 s gradovaným složením se plynule mění z jednoho konkrétního materiálu sousedící vrstvy do materiálu vrstvy 5 potenciálové jámy.
Na obr. 3a je detailněji vyobrazen spočítaný průběh vodivostního a valenčního pásu ve struktuře s deseti vrstvami 5 potenciálových jam pro heterostrukturu připravenou dle stávajícího stavu techniky s n-typovou Si dotací 5-10' xcm3 ve spodní vrstvě 3 pod aktivní oblastí s vyznačenou bariérou, která brání efektivnímu průniku elektronů do aktivní oblasti.
Na obr. 3b je vyobrazen spočítaný průběh vodivostního a valenčního pásu ve struktuře s deseti vrstvami 5 potenciálových jam pro heterostrukturu připravenou dle tohoto vynálezu s n-typovou Si dotací 5- 10l8cni3 ve vrstvě pod aktivní oblastí a s vrstvou 6 gradovaného složení těsně přiléhající ke spodní vrstvě 5 potenciálové jámy v aktivní oblasti. Ze srovnání s obr. 3a je patrné významné snížení bariéry pro elektrony.
Příklad 1 - Vrstvená heterostruktura s vrstvou 6 s gradovaným složením uspořádanou ze strany vrstev 2 a 3 vhodná pro detekci rtg záření.
Součástí scintilátoru je vícevrstvá polovodičová nitridová heterostruktura s GaN podkladovou vrstvou 2 o tloušťce 4 Im připravená technologií MOVPE. Nitridová spodní vrstva 3 je dotována křemíkem s koncentrací 5· 1018cni3 a má tloušťku 300 nm. Bariérové vrstvy 4 jsou tvořeny GaN a mají v aktivní oblasti tloušťku ch 7 nm. Vrstvy 5 potenciálových jam s užším zakázaným pásem jsou tvořeny Ino,o6Gao,94N a mají tloušťku di 1,5 nm. Mezi spodní vrstvou 3 a nejspodnější vrstvou 5 potenciálové jámy na kraji aktivní oblasti je vložena vrstva 6 s gradovaným složením o tloušťce d3 3 nm. Složení této vrstvy 6 se plynule mění z GaN od spodní vrstvy 3 na Ino,o3Gao,97N u hrany vrstvy 5 potenciálové jámy. Tloušťka vrchní vrstvy 7 je 100 nm.
Na obr. 3b je znázorněn vypočtený průběh energie hrany vodivostního a valenčního pásu pro tuto strukturu s významným snížením bariéry pro elektrony.
-5CZ 2017 - 556 A3
Příklad 2 - Vrstvená heterostruktura s vrstvou 6 s gradovaným složením uspořádanou ze strany krycí vrstvy 7 vhodná pro detekci UV záření, iontů a elektronů s nízkou energií.
Součástí scintilátoru je vícevrstvá polovodičová nitridová heterostruktura s GaN podkladovou vrstvou 2 o tloušťce 4 m připravená technologií MOVPE. Nitridová spodní vrstva 3 je dotována křemíkem s koncentrací 5-101 xcni3 a má tloušťku 300 nm. Bariérové vrstvy 4 jsou tvořeny GaN a mají v aktivní oblasti tloušťku d? 7 nm. Vrstvy 5 potenciálových jam s užším zakázaným pásem jsou tvořeny Ino,o6Gao,94N a mají tloušťku di 1,5 nm. Mezi krycí vrstvu 7 a nejsvrchnější vrstvu 5 potenciálové jámy ležící na kraji aktivní oblasti je vložena vrstva 6 s gradovaným složením o tloušťce d3 3 nm. Složení této vrstvy 6 se plynule mění z GaN od vrchní vrstvy 7 na Ino,o3Gao,97N u hrany vrstvy 5 potenciálové jámy. Tloušťka vrchní vrstvy 7 je 100 nm.
Příklad 3 - Vrstvená heterostruktura s vrstvou 6 s gradovaným složením uspořádanou ze strany vrchní vrstvy 7 i spodní vrstvy 3 vhodná pro detekci elektronů s širokým rozsahem energií.
Součástí scintilátoru je vícevrstvá polovodičová nitridová heterostruktura s GaN podkladovou vrstvou 2 o tloušťce 4 Tm připravená technologií MOVPE. Nitridová spodní vrstva 3 je dotována křemíkem s koncentrací 5-101 xcni3 a má tloušťku 300 nm. Bariérové vrstvy 4 jsou tvořeny GaN a mají v aktivní oblasti tloušťku cť 7 nm. Vrstvy 5 potenciálových jam s užším zakázaným pásem jsou tvořeny Ino,o6Gao,94N a mají tloušťku di 1,5 nm. Mezi krycí vrstvu 7 a nejsvrchnější vrstvu 5 potenciálové jámy ležící na kraji aktivní oblasti a dále mezi spodní vrstvu 3 a nejspodnější vrstvu 5 potenciálové jámy ležící na kraji aktivní oblasti jsou vloženy vrstvy 6 s gradovaným složením o tloušťce d3 3 nm. Složení vrstev 6 se plynule mění z GaN na Ino,o3Gao,97N u hrany vrstvy 5 potenciálové jámy pomocí změny teploty epitaxního růstu ze 730 na 800 °C. Tloušťka vrchní vrstvy 7 je 30 nm.
Na obr. 4 je znázorněn vliv použití vrstev 6 na zvýšení intenzity katodoluminiscence pro strukturu podle příkladu 3, s vrstvami 6 o tloušťce 3 nm před první a za poslední InGaN vrstvou 5 v aktivní oblasti. Zvýšení luminiscence je ukázáno na katodo luminiscenčních spektrech naměřených pro detekci elektronů s různou hloubkou průniku do heterostruktury. Nej výraznějšímu zvýšení intenzity luminiscence je dosaženo při absorpci elektronů pod a nad aktivní oblastí, viz obr. 4a a obr 4c.
Příklad 4 - Vrstvená heterostruktura s vrstvami 6 mezi všemi InGaN vrstvami 5 a GaN bariérovými vrstvami 4 vhodná pro detekci ionizujícího záření s širokým rozsahem energií
Součástí scintilátoru je vícevrstvá polovodičová nitridová heterostruktura s GaN podkladovou vrstvou 2 o tloušťce L 4 Im připravená technologií MOVPE. Nitridová spodní vrstva 3 je dotována křemíkem s koncentrací 5-0'xcni 3 a má tloušťku ti 300 nm. Bariérové vrstvy 4 jsou tvořeny GaN a mají v aktivní oblasti tloušťku cť 7 nm. Vrstvy 5 s užším zakázaným pásem jsou tvořeny Ino.o6Gao.94N a mají tloušťku di 1,5 nm. Mezi každou vrstvou 5 a bariérovou vrstvu 4 je vložena vrstva 6 s gradovaným složením o tloušťce <T 2 nm. Složení této vrstvy 6 se při epitaxi plynule mění z Ino.o3Gao.97N u hrany vrstvy 5 na GaN u hrany bariérové vrstvy 4, změny složení je dosaženo plynulou změnou teploty během epitaxe této vrstvy ze 720 na 800 °C. Tloušťka vrchní vrstvy 7 je 50 nm.
Na obr. 5a je znázorněn vliv použití vrstev 6 o tloušťce <L 2 nm mezi každou InGaN vrstvu 5 a GaN bariérovou vrstvu 4 (struktura podle příkladu 4) na zvýšení intenzity fotoluminiscence v případě, že k absorpci excitujícího záření dochází nad aktivní oblastí směrem ze strany vrchní vrstvy 7. U tohoto vzorku byla vrstva 6 použita na horním rozhraní každé vrstvy 5 s bariérovou vrstvou 4. Excitace světlem s vlnovou délkou 375 nm, při které jsou elektron děrové páry excitovány přímo ve vrstvách 5, byla použita pro ověření, že zesílení luminiscence bylo dosaženo díky vložení vrstvy 6 a efektivnějšímu průniku nosičů náboje do aktivní oblasti.
-6CZ 2017 - 556 A3
Na obr. 5b je dokázáno, že pokud jsou nosiče náboje generovány přímo v aktivní oblasti bez nutnosti migrace, k žádnému zesílení luminiscence u téže struktury nedochází.
Průmyslová využitelnost
Scintilační detektor pro detekci ionizujícího záření, zejména elektronového, rentgenového nebo částicového záření, podle vynálezu nalezne mimo jiné především uplatnění v medicínských oborech pracujících s ionizujícím zářením, v elektronových mikroskopech, v přístrojích vyžadujících rychlou detekci určených pro výzkum, nebo pro analýzu materiálů a výrobků, zejména v aplikacích diagnostiky kvality integrovaných obvodů a jiných elektronických součástek, dále v mikroradiografii, včetně rychlých CT systému s vysokým rozlišením a v mnoha dalších badatelských oborech, jako jsou astronomie, částicová fyzika, atp. Navrhované řešení je zvláště využitelné ve scintilačních detektorech záření s různou hloubkou průniku ionizujícího záření.
PATENTOVÉ NÁROKY
Claims (3)
1. Scintilační detektor pro detekci ionizujícího záření, zejména elektronového, rentgenového nebo částicového záření, zahrnující monokrystalický substrát (1), na kterém je nanesena alespoň jedna podkladová vrstva (2) pro navázaní alespoň jedné nitridové polovodičové vrstvy (3, 4, 5, 6) na substrát (1) pomocí epitaxe, alespoň jedna nitridová polovodičová vrstva (3, 4, 5, 6) je popsána obecným vzorcem AlyInxGai_x_yN, kde platí 0<x<l,0<y<la0< x+y < 1, přičemž alespoň dvě nitridové polovodičové vrstvy (3, 4, 5, 6) jsou uspořádány do vrstvené heterostruktury, jejíž struktura obsahuje alespoň jednu vrstvu (5) potenciálové jámy pro zářivé rekombinace elektronů a děr, kdy na podkladové vrstvě (2) je uspořádána alespoň jedna spodní vrstva (3) s n-typovou dotací, nad spodní vrstvou (3) je uspořádána aktivní oblast heterostruktury sestávající z alespoň jedné aktivní dvojice nitridových polovodičových vrstev (4, 5) složené z bariérové vrstvy (4) typu AlybInxbGai_xb_ybN a z vrstvy (5) potenciálové jámy typu AlywIn XwGai-xw ywN, pro které platí xb < xw a yb > yw, přičemž je ve směru od substrátu (1) nad nejvýše se nacházející aktivní dvojicí vrstev (4, 5) uspořádána alespoň jedna vrchní nitridová polovodičová vrstva (7), vyznačující se tím, že na alespoň jedné straně aktivní oblasti a/nebo uvnitř aktivní oblasti je vložena alespoň jedna vrstva (6) s gradovaným složením pro snížení potenciálové bariéry a usnadnění migrace elektronů a děr do aktivní oblasti heterostruktury, která sousedí s vrstvou (5) potenciálové jámy, její tloušťka (d3) je menší než 5 nm a její složení se mění ve směru k vrstvě (5) potenciálové jámy z obecného vzorce AlypInxpGai_xp_ypN na obecný vzorec AlygInXgGai-Xg-ygN, přičemž platí že xg < xw a yw < yg.
2. Scintilační detektor podle nároku 1, vyznačující se tím, že vrstva (6) s gradovaným složením má plynule se měnící složení.
3. Scintilační detektor podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že složení vrstvy (6) s gradovaným složením se mění z GaN na Ino,o3Gao,97N.
6 výkresů
CZ 2017 - 556 A3
Seznam vztahových značek monokrystalický substrát podkladová vrstva spodní vrstva bariérová vrstva vrstva potenciálové j ámy vrstva gradovaným složením vrchní vrstva
1 tloušťka vrstvy představující potenciálovou jámu
2 tloušťka bariérové vrstvy
3 tloušťka vrstvy s gradovaným složením ti tloušťka spodní nitridové vrstvy t2 tloušťka vrchní nitridové vrstvy t4 tloušťka podkladové vrstvy h tloušťka aktivní části heterostruktury
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CZ2017-556A CZ307721B6 (cs) | 2017-09-19 | 2017-09-19 | Scintilační detektor pro detekci ionizujícího záření |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CZ2017-556A CZ307721B6 (cs) | 2017-09-19 | 2017-09-19 | Scintilační detektor pro detekci ionizujícího záření |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CZ2017556A3 true CZ2017556A3 (cs) | 2019-03-20 |
| CZ307721B6 CZ307721B6 (cs) | 2019-03-20 |
Family
ID=65721661
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CZ2017-556A CZ307721B6 (cs) | 2017-09-19 | 2017-09-19 | Scintilační detektor pro detekci ionizujícího záření |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CZ (1) | CZ307721B6 (cs) |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4365255B2 (ja) * | 2004-04-08 | 2009-11-18 | 浜松ホトニクス株式会社 | 発光体と、これを用いた電子線検出器、走査型電子顕微鏡及び質量分析装置 |
| CZ306026B6 (cs) * | 2015-02-09 | 2016-06-29 | Crytur, Spol.S R.O. | Scintilační detektor pro detekci ionizujícího záření |
-
2017
- 2017-09-19 CZ CZ2017-556A patent/CZ307721B6/cs unknown
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CZ307721B6 (cs) | 2019-03-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN106415854B (zh) | 包括n型和p型超晶格的电子装置 | |
| JP6381815B2 (ja) | 電離放射線のシンチレーション検出器 | |
| Wierer et al. | Influence of barrier thickness on the performance of InGaN/GaN multiple quantum well solar cells | |
| CN102484172B (zh) | 紫外线照射装置 | |
| Oliver et al. | The impact of gross well width fluctuations on the efficiency of GaN-based light emitting diodes | |
| US20130292685A1 (en) | Structures and Devices Based on Boron Nitride and Boron Nitride-III-Nitride Heterostructures | |
| US20130043459A1 (en) | Long Wavelength Infrared Superlattice | |
| Blank et al. | Temperature dependence of the photoelectric conversion quantum efficiency of 4H–SiC Schottky UV photodetectors | |
| Golovynskyi et al. | Deep levels in metamorphic InAs/InGaAs quantum dot structures with different composition of the embedding layers | |
| Bulmer et al. | Visible-blind APD heterostructure design with superior field confinement and low operating voltage | |
| Dhomkar et al. | Feasibility of submonolayer ZnTe/ZnCdSe quantum dots as intermediate band solar cell material system | |
| Kastalsky et al. | Semiconductor high-energy radiation scintillation detector | |
| US8426845B2 (en) | Long wavelength infrared superlattice | |
| CN115020183A (zh) | 闪烁器以及电子检测器 | |
| US20130043458A1 (en) | Long Wavelength Infrared Superlattice | |
| CZ2017556A3 (cs) | Scintilační detektor pro detekci ionizujícího záření | |
| Sumiya | Characterization of wide-gap semiconductors by photothermal deflection spectroscopy | |
| Sun et al. | Photoelectric characteristics of metal/InGaN/GaN heterojunction structure | |
| Shklyaev et al. | Impact ionization of excitons in Ge/Si structures with Ge quantum dots grown on the oxidized Si (100) surfaces | |
| Chae et al. | Near ultraviolet light emission in hexagonal boron nitride based van der Waals heterostructures | |
| CZ303201B6 (cs) | Scintilacní detekcní jednotka pro detekci elektronu, iontu a fotonu sendvicové struktury | |
| Kojima et al. | Intraband relaxation process in highly stacked quantum dots | |
| Hospodková et al. | Devices based on InGaN/GaN multiple quantum well for scintillator and detector applications | |
| CZ2011834A3 (cs) | Scintilacní detekcní jednotka se zvýsenou radiacní odolností | |
| Fernandez-Izquierdo et al. | Halide Perovskite Thin Films for Neutron and X-Ray Detection |