KR100743771B1 - 다이아몬드 방사선 검출기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 기재(10)의 표면(14)에 에피택시(epitaxy) 방식으로 성장된 다이아몬드 덧층(12)을 갖는 붕소-도핑 다이아몬드 기재(10)를 포함하는 방사선 검출기를 개시한다. 층(12)의 상면(16)에는 이와 전기적으로 접촉하는 다지상 전극 배열(18)이 구비된다.

Description

다이아몬드 방사선 검출기{DIAMOND RADIATION DETECTOR}
본 발명은 방사선 검출기에 관한 것이다.
다이아몬드는 알파선 및 약 220nm 미만의 파장을 갖는 전자기 방사선, 예를 들면 자외선 및 연X선(soft X-ray) 같이 다이아몬드 내로 짧은 거리(예: 10㎛ 미만)만을 투과하는 방사선에 전기적으로 반응하는데 사용될 수 있다. 이러한 방사선에 대한 기존의 다이아몬드 검출기는 박층의 다이아몬드, 일반적으로 약 1 내지 200㎛ 두께의, 단독이거나 또는 규소 기재 같은 비-다이아몬드 기재를 갖는 성장된 그대로의(as-grown) 다이아몬드로 구성된다. 전형적으로 박층의 성장 표면에 다지형(多指形: interdigitated) 전극 배열이 배치된다.
다이아몬드는 광대역 갭 반도체이고 실온의 정상 환경하에서 전기적 절연체이다. 순수한 다이아몬드가 전도성을 띠려면 전자가 정상적으로 채워진 가전자대(full valence band)에서 정상적으로 빈 전도대(empty conduction band)로 승진되어, 전자-정공(e-h) 쌍을 생성시켜야 하며, 이러한 현상은 감마선, X선, 자외선, 알파선 및 베타선 같은 방사선이 다이아몬드에 충돌하는 경우에 일어난다. 다이아몬드를 가로지르는 전기장이 존재하는 경우에, 운반자(carrier)가 이동하고 전류, 광전류가 흐르게 된다. 특정 다이아몬드에 대한 광전류의 세기는 방사선의 유형 및 세기에 따라 다르며, e-h 쌍이 재결합될 때까지 흐르게 된다.
방사선에 의해 생성된 전하 운반자는 전형적으로 층의 성장 표면의 다지형 전극 배열에 의해 수집된다.
미국 특허 제 5,216,249 호에는 화학증착(CVD)에 의해 침착된 다결정질 다이아몬드 물질 층를 포함하는 중성자 검출기가 기술되어 있으며, 이 다이아몬드 물질은 검출기의 중성자 검출 특성을 최적화시키는 도판트(dopant)로서 충분한 양의 10B를 포함한다.
발명의 요약
본 발명에 따라서, 특히 감마선, X선, 자외선, 알파선 및 베타선 같은 방사선용 방사선 검출기는 붕소-도핑(boron-doped) 다이아몬드 기재의 표면에 성장된 다이아몬의 덧층(overlayer)을 포함한다.
기재는 붕소-도핑 다이아몬드이고 사실상 다결정질 또는 단결정질일 수 있다. 다이아몬드는 이온 이식에 의해, 고압/고온 합성시 성장 캡슐 내로의 도입에 의해, 또는 천연적으로 붕소 도핑이 이루어진 천연 또는 합성 다이아몬드일 수 있다. 또한, 다이아몬드는 일반적으로 다이아몬드의 합성중 붕소 도핑이 이루어지는 화학증착에 의해 제조될 수 있다. 붕소 원자는 다이아몬드 격자 내에 치환된 위치에 또는 격자 사이의 위치에 존재할 수 있다. 붕소-도핑 다이아몬드의 붕소 함량은 전형적으로 1017 내지 1021붕소원자/cm3 범위이다.
붕소-도핑 다이아몬드 기재는 전형적으로 0.1 내지 2mm의 두께를 갖는다.
방사선 검출기는 붕소-도핑 다이아몬드 기재의 표면에 에피택시(epitaxy) 방식으로 생성된 다이아몬드의 덧층을 갖는다. 덧층의 다이아몬드는 기재의 입도와 동등한 입도를 가질 것이다. 그러므로 기재의 붕소-도핑 다이아몬드가 20 내지 50㎛의 입도를 가지면 덧층의 다이아몬드의 입도도 20 내지 50㎛이다. 다이아몬드 덧층의 두께는 전형적으로 1 내지 500㎛, 바람직하게는 3 내지 50㎛ 범위이다.
또한 과성장된 다이아몬드 층은 기재의 결정질 특성을 부분적으로 보유하므로, 예컨대 비-다이아몬드 기재에서 성장된 동일한 두께의 층에 비하여 더 큰 입도를 갖는다.
바람직하게는 과성장 다이아몬드는 화학증착에 의해 성장된다. 화학증착으로 기재에 다이아몬드를 침착시키는 방법은 현재 잘 정립되어 있으며 다른 특허 및 문헌에 광범위하게 기술되어 있다. 기재에 다이아몬드를 침착시키는 경우에 이 방법은 일반적으로 원자 형태의 수소 또는 할로겐(예: F, Cl), C 또는 탄소 포함 라디칼 및 기타 반응성 종, 예를 들면 CHx, CFx(여기서, x는 1 내지 4이다)를 공급할 수 있는 해리 상태의 기체 혼합물의 공급을 포함한다. 또한, 질소 공급원 및 붕소 공급원과 마찬가지로, 산소 포함 공급원도 존재할 수 있다. 여러 방법에서 헬륨, 네온 또는 아르곤 같은 불활성 기체도 또한 존재할 수 있다. 그러므로, 전형적인 기체 혼합물 공급원은 탄화수소 CxHy(여기서, x 및 y는 각각 1 내지 10이다), 할로탄소 CxYyHalz(여기서, x, y 및 z는 각각 1 내지 10이다) 및 선택적으로 CO, CO2, O2, H2, N2, NH3, B2H6 및 불활성 기체로 구성된 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 것이다. 각 기체는 천연의 동위원소 비율로 존재할 수 있거나, 상대적 동위원소 비율을 인공적으로 조절할 수 있다. 예컨대, 수소가 중수소 또는 삼중수소로서 존재할 수 있으며 탄소가 12C 또는 13C로서 존재할 수 있다. 마이크로파, 레이저, RF 에너지, 화염 또는 고온 필라멘트 같은 에너지 공급에 의해 기체 공급원을 해리시키고 이렇게 생성된 반응성 기체 종을 기재에 침착시켜 다이아몬드를 형성시킨다.
본 발명의 바람직한 실시태양에서 화학증착 다이아몬드 덧층이 성장하는 표면은 연마된 표면이다. 표면을 연마하여 낮은 거칠기, 예를 들면 30nm 미만의 RA( 또는 중심선 평균(center line average))로 만들 수 있다. 그렇게 연마된 표면에서는 덧층이 거친 표면에서보다 훨씬 더 낮은 성장된 그대로의(as-grown) 거칠기를 가질 것이다.
사용시, 전형적으로 방사선 검출기는 덧층에 적용되는 1차 전기 접촉부 및 기재에 적용되거나 기재와 전기적으로 접촉하는 2차 접촉부를 포함한다.
더 나아가 본 발명에 따라서 방사선을 검출 또는 측정하는 방법은 전술한 유형의 방사선 검출기를 제공하는 단계 및 방사선에 다이아몬드 덧층의 표면을 노출시키는 단계를 포함한다.
도 1은 본 발명의 방사선 검출기의 실시태양의 개략도이다.
이하 첨부한 방사선 검출기의 개략도를 참조하여 본 발명의 실시태양을 예시한다. 도 1을 참조하면, 붕소-도핑 화학증착 다이아몬드 기재(10)는 기재(10)의 표면(14)에 화학증착을 이용하여 에피택시 방식으로 성장된 고품질의 다이아몬드 박층의 덧층(12)을 갖는다. 표면(14)은 연마된 표면일 수 있다. 기재(10)의 붕소 함량은 전형적으로 1017 내지 1021 붕소원자/cm3 범위이다. 덧층(12)은 기재와 거의 동등한 입도를 갖는다. 층(12)의 상부 표면(16)에는 전기적으로 접촉하는 다지형 전극 배열(18)이 구비된다. 이 배열(18)은 다수의 전극(20)을 포함한다. 후면 접촉부(22)가 기재(10)에 구비되어 접지된다. 다지형 전극 배열(16)은 적당한 분리 회로(도 1에서는 개략적으로 커패시터(24)로서 나타냄)를 통하여 전류 또는 전하-측정 시스템에 연결된다. 부호 26은 바이어스 전압을 나타낸다.
사용시, 검출되는 방사선은 고품질 박층(12)에 충돌한다. e-h 쌍이 생성되고 이들은 외부 바이어스 전압의 영향하에서 분리된다. 외부 회로에 전류가 유도되고 이를 전류 또는 전하-측정 시스템으로 측정한다. 전류/전하의 세기로써 방사선 세기를 측정한다.
두 번째 실시태양(도시하지 않음)에서 다지형 전극 배열이 고품질 층(12)의 표면에 장치된다. 한 벌의 전극에 -1000 내지 +1000V의 바이어스 전압이 걸리고 다른 한 벌의 전극은 접지된다. 사용시, 검출되는 방사선은 고품질 박층(12)에 충돌한다. e-h 쌍이 생성되고, 이들은 외부 바이어스 전압의 영향으로 분리된다. 외부 회로에 전류가 유도되고 이를 전류 또는 전하-측정 시스템으로 측정한다. 전류/전하의 세기로써 방사선 세기를 측정한다.
이상 설명하고 예시한 본 발명의 방사선 검출기는 종래 기술의 다이아몬드 검출기에 비하여 몇가지 장점을 갖는다. 첫째, 과성장 층의 큰 입도가 보다 우수한 성능을 제공한다. 둘째, 다지형 전극 배열에서 인접하는 전극 사이의 갭을 가교하는 단일 입자의 수가 증가된다. 이는 주어진 방사선 세기에 대한 신호 진폭의 증가를 유도한다. 셋째, 기재가 전기적으로 전도성이어서 바탕(back) 전극으로서 사용될 수 있다. 넷째, 과성장 층의 큰 입도로 인해 이 층의 결함 밀도가 낮아진다. 다섯째, 검출기가 매우 튼튼하다.
본 발명을 하기 실시예로써 보다 상세히 설명한다.
4.5 x 4.5 x 0.8mm의 치수 및 30nm 미만의 측정된 표면 거칠기(RA)를 갖는 붕소-도핑 다이아몬드 층에서는, SIMS을 측정한 결과, 1019원자/cm3 수준의 균일한 분포의 붕소를 포함하는 것으로 나타났다. 이를 화학증착에 의해 80㎛ 두께의 고순도 다이아몬드 층의 과성장을 위한 기재로서 사용하였다. 과성장 다이아몬드 층을 갖는 기재를 가공하여 붕소-도핑 기재의 상면에 10㎛의 두께 및 30nm 미만의 RA의 고품질 박층을 갖는 제품을 제조하였다. SIMS 평가 결과, 계면의 고순도 측면에서 붕소가 검출되지 않았다. 제품의 최종 치수는 4.5 x 4.5 x 0.81mm이었다. 구조는 도 1에 예시된 바와 같은 배열의 방사선 검출기로서 유용한 것으로 확인되었다.

Claims (16)

  1. 붕소-도핑(boron-doped) 다이아몬드 기재의 표면에 성장된 다이아몬드 덧층(overlayer)을 포함하는 방사선 검출기에 있어서,
    상기 다이아몬드 덧층이 붕소-도핑 다이아몬드 기재의 표면에 에피택시(epitaxy) 방식으로 생성되는 방사선 검출기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    감마선, X선, 자외선, 알파선 및 베타선으로 구성된 군에서 선택된 방사선을 검출하는데 사용하기 위한 방사선 검출기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    붕소-도핑 다이아몬드가 사실상 다결정질 또는 단결정질인 방사선 검출기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    붕소-도핑 다이아몬드가 화학증착(CVD) 다이아몬드인 방사선 검출기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    붕소-도핑 다이아몬드의 붕소 함량이 1017 내지 1021붕소원자/cm3 범위인 방사선 검출기.
  6. 제 1 항에 있어서,
    덧층의 다이아몬드가 기재의 입도와 동등한 입도를 갖는 방사선 검출기.
  7. 제 1 항에 있어서,
    기재의 붕소-도핑 다이아몬드가 20 내지 50㎛의 입도를 갖고, 덧층의 다이아몬드가 20 내지 50㎛의 입도를 갖는 방사선 검출기.
  8. 제 1 항에 있어서,
    붕소-도핑 다이아몬드 기재가 0.1 내지 2mm의 두께를 갖는 방사선 검출기.
  9. 제 1 항에 있어서,
    다이아몬드 덧층의 두께가 1 내지 500㎛인 방사선 검출기.
  10. 제 1 항에 있어서,
    다이아몬드 덧층의 두께가 3 내지 50㎛인 방사선 검출기.
  11. 제 1 항에 있어서,
    과성장 층의 다이아몬드가 화학증착에 의해 성장된 방사선 검출기.
  12. 제 11 항에 있어서,
    화학증착 다이아몬드 덧층이 연마된 표면에 성장된 방사선 검출기.
  13. 제 12 항에 있어서,
    연마된 표면이 30nm 미만의 표면거칠기(RA)를 갖는 방사선 검출기.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항중 어느 한 항에 따른 다이아몬드 검출기를 제공하는 단계 및 방사선에 덧층의 표면을 노출시키는 단계를 포함하는, 방사선을 검출 또는 측정하는 방법에 있어서,
    다이아몬드 덧층이 붕소-도핑 다이아몬드 기재의 표면에 에피택시(epitaxy) 방식으로 생성되는 방법.
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