CZ303201B6

CZ303201B6 - Scintilacní detekcní jednotka pro detekci elektronu, iontu a fotonu sendvicové struktury

Info

Publication number: CZ303201B6
Application number: CZ20110106A
Authority: CZ
Inventors: Horodyský@Petr; Blažek@Karel
Original assignee: Crytur Spol. S R. O.
Priority date: 2011-03-01
Filing date: 2011-03-01
Publication date: 2012-05-23
Also published as: CZ2011106A3

Abstract

Scintilacní detektor pro detekci elektronu, iontu a fotonu sendvicové struktury strídajících se vrstev materiálu kvantové jámy (3) a vrstev materiálu bariéry (2) kvantové jámy (3) podle rešení obsahuje nejméne jednu vrstvu materiálu kvantové jámy (3) a nejméne dve vrstvy materiálu bariéry (2) kvantové jámy (3), kde materiál kvantové jámy (3) je fosfid-arsenid gallitý GaAs.sub.1-x .n.P.sub.x.n. o tlouštce 2 až 10 nm, pricemž 0.<=.x.<=.0,6, a kde materiál bariéry (2) kvantové jámy (3) je fosfid-arsenid hlinito-gallitý Al.sub.y.n.Ga.sub.1-y .n.As.sub.1-z .n.P.sub.z.n. o tlouštce 4 až 20 nm; pricemž 0.<=.y.<=.1 a 0.<=.z.<=.1. Pocet vrstev materiálu kvantové jámy (3) i pocet vrstev materiálu kvantové bariéry (2) je s výhodou alespon 20 a celková tlouštka sendvicové struktury je alespon 500 nm.

Description

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 io svazky nízkoenergetického synchronového a Roentgenova záření.

Dosavadní stav techniky

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 použiti materiálů Y₂SiO₅:Ce, Y₃Al₅O|₂:Ce nebo YAlO₃:Ce. Rychlost detektoru je dána dosvitem zářivého centra - atomu ceru, který se pro tyto materiály pohybuje v rozmezí 25 až 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 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 monokrystal ické 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.

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 monokrystal ickém 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 ajejich chemickým složením. Při volbě tloušťky vrstev kvantových jam v řádu nanometrů a tloušťce bariér v rádu 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 mono50 krystalem. 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.

-1 CZ 303201 B6

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 ke V, protony a ionty s energií 10 eV 1 MeV a fotony s energií I keV-15 keV.

Arsenid gallitý GaAs, arsenid gallito-hHnitý Gai._xA_xIAs jsou polovodičové materiály používané pro výrobu červených svítivých diod. Fosfid-arsenid gallitý GaAsi__yP_y a fosfid gallitý GaP jsou materiály, které jsou využívány k výrobě žlutých a oranžových svítivých diod. Všechny tyto materiály patří do kategorie polovodičů typu 1II-V ajejich technologie růstu i chemické vlastnosti jsou velmi podobné. Technologie přípravy těchto vrstev je dnes dobře zvládnutá.

Patent GB 1 121 986 si nárokuje využití obyčejného objemového polovodiče GaAs jako scintilátor. Takový scintilátor ovšem v praxi nemá dostatečně rychlou odezvu. Patentová přihláška US 2006/0 219 928 Al se týká úpravy objemového polovodiče tak, aby byl použitelný jako rychlý scintilátor. Autoři navrhují speciální dopanty pro zvýšení účinnosti a zrychlení doby odezvy. Patent US 7 030 388 B2 popisuje využití vrstevnatých struktur jako rychlého scintílačního detektoru v případě struktury složené z materiálů GaN a Gai._xIn_xN. Bohužel polovodičovou heterostrukturu GaN/Ga_rxIn_xN nelze připravit v dostatečné tloušťce pro efektivní absorpci ionizujícího záření. Proto ji lze použít jen pro velmi nízké energie elektronů.

Podstata vynálezu

Uvedené nevýhody odstraňuje rychlá scintilační detekční jednotka pro detekci elektronů, iontů a fotonů sendvičové struktury se střídajícími vrstvami materiálu kvantové jámy a materiálu bariéry kvantové jámy, která podle vynálezu obsahuje nejméně jednu vrstvu materiálu kvantové jámy a nejméně dvě vrstvy materiálu bariéry kvantové jámy, kde materiál kvantové jámy je fosfidarsenid gallitý GaAst._xP_x o tloušťce 2 až 10 nm, přičemž 0<x^0,6, a kde materiál bariéry kvantové jámy je fosfid-arsenid hlinito-gallitý AI_yGa|._yAS]._zP_z o tloušťce 4 až 20 nm; přičemž 0<y<l a 0<z<1.

S výhodou je materiál kvantové jámy arsenid gallitý GaAs o tloušťce 2 až 10 nm a materiál bariéry kvantové jámy je arsenid hlinito-gallitý Al_tGai-_tAs o tloušťce 4 až 20 nm; přičemž 0,2<t<0,4 nebo materiál kvantové jámy je fosfid-arsenid gallitý GaAsi__uP_u o tloušťce 2 až 10 nm a materiál bariéry kvantové jámy je fosfid gallitý GaP o tloušťce 4 až 20 nm; přičemž 0,l<u<0,5.

S výhodou je počet vrstev materiálu kvantové jámy i počet vrstev materiálu kvantové bariéry alespoň 20 a celková tloušťka sendvičové struktury je alespoň 500 nm.

Vynález spočívá v použití polovodičových vrstevnatých struktur na bázi arsenidů a směsných arsenidů-fosfidů jako rychlé scintilační detekční jednotky pro detekci elektronů, iontů a fotonů.

Pomocí pokročilých epitaxních růstových technologií jako např. epitaxe z molekulárních svazků („Molecular Beam Epitaxy) či metal-organické epitaxe z plynné fáze („Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy“) lze připravit tytu sendvičové struktury podle vynálezu, běžně označované jako jednoduché či vícenásobné kvantové jámy. Tyto struktury vznikají postupnou depozicí jednotlivých monomolekulámích krystalových vrstev na dokonalém monokrystalickém povrchu substrátu,

-2CZ 303201 B6

Rychlá scintilační detekční jednotka sendvičové struktury je vhodná pro nízkoenergetické elektrony, ionty a další ionizující záření jako např. roentgenové fotony. Výhodou vynálezu oproti US 7 030 388 B2 je to, žc v případě polovodičových vrstevnatých struktur na bázi arsenidů a směsných arsen idů-fosfidů lze připravit tuto sendvičovou strukturu ve velké tloušťce a tím zajistit lepší absorpci ionizujícího záření. Proto bude mít tato sendvičová struktura podle vynálezu lepší účinnost.

Scintilační polovodičová detekční jednotka se skládá ze střídajících se vrstev materiálu kvantové jámy a materiálu kvantové bariéry. Každá vrstva materiálu kvantové jámy je obklopena mateío riálem 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 manipulovateInosti.

Přehled obrázku na výkrese

Obr. 1 je schematický boční pohled na průřez vrstevnatou sendvičovou strukturou a substrátem

i. Vyobrazená sendvičová struktura se skládá ze dvou vrstev materiálu kvantové jámy 3 a ze tří vrstev materiálu kvantové bariéry 2.

Příklady provedení vynálezu

Příklad 1

Příkladem rychlé scintilační detekční jednotky je sendvičová struktura dle Obr. 1 obsahující 2 vrstvy materiálu kvantové jámy 3. Substrátem 1 je v tomto případě deska tvořená monokrystalem polovodiče GaAs. Materiálem kvantové bariéry 2 je Alo.3Gao.7As. Materiálem kvantové jámy 3 je GaAs. Tloušťka vrstvy kvantové bariéry 2 je v tomto příkladě stejná a činí 10 nm. Tloušťka vrstvy kvantové jámy 3 je v tomto příkladě stejná a činí 4 nm. Pri dopadu svazku elektronů o energii 10 keV sendvičová struktura emituje světlo s maximem spektrálního pásu 800 nm. V pásu

8 00 nm je emitováno více než 95 % intenzity světla z celého optického spektra. Pri pulzním buzení křivka dosvitu v čase exponenciálně klesá. Intenzita světla klesne na hodnotu l/e, kde e je základem přirozeného logaritmu, za dobu kratší než 1 ns.

Příklad 2

Jiným příkladem rychlé scintilační detekční jednotky je sendvičová struktura odvozená od Obr. 1 tak, že je přidán počet dvojic vrstev materiálu kvantové jámy 3 a kvantové bariéry 2. Substrátem i je v tomto případě monokrystal GaP. Následuje 80 dvojic vrstev kvantové jámy 3 a kvantové bariéry 2. Tloušťky vrstev kvantové bariéry 2 jsou 3 nm a jsou stejné a jsou tvořeny materiálem GaP. Vrstvy kvantové jámy 3 jsou z materiálu GaAso.55P0.45 a mají tloušťku 12 nm. Celková tloušťka sendvičové struktury je 1200 nm. Při dopadu svazku elektronů o energii 20 keV jsou všechny elektrony absorbovány a energie je vyzářena jako světlo s maximem spektrálního pásu 620 nm, V pásu 620 nm je emitováno více než 98 % intenzity světla z celého optického spektra.

Pri 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 800 ps.

-3 CZ 303201 B6

Průmyslová využitelnost

Extrémně rychlá seintilační 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 seintilační stínítko s velmi krátkou dobou dosvitu.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Seintilační detekční jednotka pro detekci elektronů, iontů a fotonů sendvičové struktury střídajících se vrstev materiálu kvantové jámy (3) a vrstev materiálu bariéry (2) kvantové jámy (3), vyznačující se tím, že obsahuje nejméně jednu monokrystal ickou vrstvu materiálu kvantové jámy (3) a nejméně dvě monokrystalické vrstvy materiálu bariéry (2) kvantové jámy (3), kde materiál kvantové jámy (3) je fosfid-arsenid gallitý GaAs_r,P_x o tloušťce 2 až 10 nm, přičemž 0<x<0,6, a kde materiál bariéry (2) kvantové jámy (3) je fosfid-arsenid hlinito-gallitý Al_yGai__yAsi__zP_z o tloušťce 4 až 20 nm; přičemž 0<y< 1 a 0<z<L
2. Seintilační detekční jednotka podle nároku 1, kde materiál kvantové jámy (3) je arsenid gallitý GaAs o tloušťce 2 až 10 nm a kde materiál bariéry (2) kvantové jámy (3) je arsenid hlinito-gallitý Al,Ga₍.,As o tloušťce 4 až 20 nm; přičemž 0,2<t<0,4.
3. Seintilační detekční jednotka podle nároku 1, kde materiál kvantové jámy (3) je fosfidarsenid gallitý GaAs₍._uP_u o tloušťce 2 až 10 nm a kde materiál bariéry (2) kvantové jámy (3) je fosfid gallitý GaP o tloušťce 4 až 20 nm; přičemž 0,l<u<0,5.
4. Seintilační detekční jednotka podle nároků laž3, vyznačující se tím, že počet vrstev materiálu kvantové jámy (3) i počet vrstev materiálu kvantové bariéry (2) je alespoň 20.
5. Seintilační detekční jednotka podle nároků 1 až 4, vyznačující se tím, že celková tloušťka seintilační detekční jednotky je alespoň 500 nm.