KR101972484B1 - 이온화 방사선의 검출을 위한 섬광 검출기 - Google Patents

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Abstract

단결정 기판 (1), 적어도 하나의 버퍼 층 (2), 상기 기판 (1) 위쪽으로 에피택시로 적층되고 일반식 AlyInxGa1-x-yN (여기서 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 및 0 ≤ x+y ≤ 1임)으로 표시되는 적어도 하나의 질화물 반도체 층 (3, 4, 5, 6)을 포함하는, 이온화 방사선, 전자, X-선 또는 입자 방사선의 검출을 위한 섬광 검출기, 여기서 적어도 두 개의 질화물 반도체 층들은 레이어드 헤테로구조체로 배열되고, 이들의 구조는 전자들 및 정공들의 방사성 재결합을 위해 적어도 하나의 퍼텐셜 우물을 포함한다. 상기 구조에서 발광 감쇠 시간을 감소시키기 위해 AlybInxbGa1-xb-ybN 형의 장벽 층 (4) 및 퍼텐셜 우물을 나타내는 AlywInxwGa1-xw-ywN 형의 층 (5)으로 이루어지는 (여기서 xb ≤ xw 및 yb ≤ yw임) 동일한 분극의 적어도 하나의 질화물 반도체 활성 커플 층 (4, 5)이 배열되거나, 적어도 하나의 질화물 반도체 활성 커플 층 (4, 5)에 AlydInxdGa1-xd-ydN 형이고 (여기서 yd ≤ yw 및 xd ≥ xw+0.3임) 2 nm 미만의 두께 (t3)를 갖는 적어도 하나의 운반체 끌기 층 (7)이 삽입된다.

Description

이온화 방사선의 검출을 위한 섬광 검출기
본 발명은 이온화 방사선(ionising radiation), 특히 전자, X-선 또는 입자 방사선의 검출을 위해 지정된, 질화물 헤테로구조(nitride heterostructure)를 갖는 반도체 단결정 섬광 검출기(semiconductor monocrystalline scintillation detectors)에 관한 것이다.
GaN 또는 ZnO와 같이 폭 넓은 밴드갭(band gap)을 갖는 반도체가 이온화 방사선의 검출기의 이용에 적합함은 공지되어 있다. 이런 형태의 물질들은 1 ns 단위의 여기 발광의 짧은 감쇠 시간을 나타내며 방사선 저항성(radiation resistant)이다. GaN의 이점은 더 높은 결정학적 품질 및 균일한 에피택시 층들(homogenous epitaxial layers)의 형태로 제조 가능하다는 것이며, 넓은 표면의 단결정 기판(monocrystalline substrates) 위쪽으로 서로의 상부에서 몇몇 상이한 층들로 적층되어, 그 결과 헤테로구조체(heterostructures)의 생성을 초래한다. 이들 헤테로구조체는 낮은 비-방사성(non-radiant) 손실 및 좁은 발광 최대점(luminescence maximum)을 나타낸다.
특허 문헌 US 7 053 375 B2는 화합물 내 주기율표로부터 Ⅲ족 원소들과 질소를 포함하고, 이온화 방사선을 이용한 여기(excitation)를 위한 반도체의 형태인 반도체 신틸레이터(scintillator)를 개시한다. 이 반도체 화합물은 한 층으로 구성되어 있고, 일반적으로 개시된 기판 상에 형성된다. 게다가, 반도체 구조를 부드럽게 하고/개선시키기 위해 반도체 층 및 기판 층 사이에 버퍼 층(buffer layer)이라 불리는 층이 있을 수도 있다. Ⅲ족 원소를 갖는 다양한 질화물(nitride) 및 이들의 합금들이 서로 위에 적층된 상이한 층들로 사용되어, 헤테로구조체를 생성할 수 있다.
또다른 공지된 특허 문헌 US 8 164 069 B2는 광방출(luminescence), 발광을 이용한 전자 입사에 대한 형광제(fluorescent agent) 반응을 개시한다. 상기 형광제는 운반체 단결정 기판(carrier monocrystalline substrate)과 질화물 반도체의 샌드위치 구조를 포함하고, 이 구조 내에서 장벽 층들은 퍼텐셜 우물(potential wells)을 나타내는 층들과 교대로 나타난다. 상기 반도체 층들은 헤테로구조체를 생성하고, 상기 헤테로구조체는 일 기판 측면의 표면에 형성된다. 상기 퍼텐셜 우물들은 바람직하게는 InxGa1 - xN 합금 반도체로 생성된다.
상기에서 언급된 해결책의 문제점은 그들이 강한 압전 전기장(piezoelectric field)을 고려하지 않았다는 것이며, 상기 압전 전기장은 상이한 조성을 갖는 층들의 계면들 간에서 형성된다. 이 압전 전기장은 전자-정공 파동 함수 오버랩(overlap)을 감소시키고, 그 결과 발광 강도를 상당히 감소시키며, 발광 감쇠 시간을 연장시킨다. 이는 신틸레이터가 덜 집약적이고 더 느린 반응성을 가질 것을 의미한다. 상술한 해결책의 다음 문제점은 이온화 방사선의 입사 동안 반도체 물질 내에서 비-방사성 전자-정공 재결합을 위해 상대적으로 많은 양의 에너지가 소모된다는 사실이다. 퍼텐셜 우물들의 존재는 이런 비율을 개선시키나, 결과로 나타나는 방사성 및 비-방사성 재결합을 위해 소비된 에너지의 비율은 여전히 충분치 않다. 결과로 나타나는 재결합 에너지(consumed energy)의 비율을 향상시킬 수 있도록 반도체 층 내 더 많은 수의 퍼텐셜 우물들의 달성은 InxGa1 - xN의 상이한 격자 상수에 의해 유발되는 InxGa1 - xN 우물의 수의 증가 때문에 구조 내에 증가된 변형에 의해 저해된다.
본 발명의 과제는 공지된 해결책의 결점을 제거할 수 있고, 압전 전기장의 영향을 억제하며, 구조체 내의 변형을 감소시킬 수 있어, 입사 이온화 방사선에 대한 발광성 반응의 강도 및 속도를 증가시킬 수 있는, 이온화 방사선의 검출을 위한 단결정 질화물 섬광 검출기를 제공하는 것이다.
본 과제는 이온화 방사선, 특히 전자, X-선 또는 입자 방사선의 검출을 위한 섬광 검출기를 생성함으로써 해결된다.
상기 섬광 검출기는 단결정 기판과 그 위에 적층된 적어도 하나의 버퍼 층을 포함한다. 상기 버퍼 층은 적어도 하나의 질화물 반도체 층의 안정한 결합을 위해 상기 단결정 기판에 에피택시(epitaxy)로 적층된다. 상기 질화물 반도체 층은 일반식 AlyInxGa1-x-yN로 표현되며, 여기서 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 및 0 ≤ x+y ≤ 1의 관계가 적용된다. 동시에, 적어도 두 가지 질화물 반도체 층들은 레이어드(layered) 헤테로구조체로 배열되고, 이들의 구조는 입사 방사선에 의해 발생된 전자들 및 정공들(electrons and holes)의 방사성 재결합을 위해 적어도 하나의 퍼텐셜 우물을 함유한다.
본 발명의 원리는 상기 버퍼 층이 적어도 하나의 바닥(bottom) 질화물 반도체 층으로 생성되고, 상기 바닥 질화물 반도체 층 위에, 주로 동일한 분극(polarisation)의 적어도 하나의 질화물 반도체 활성 커플 층(active couple consists)이 배열된다는 사실을 포함한다. 상기 활성 커플은 AlybInxbGa1-xb-ybN 형의 장벽 층(barrier layer) 및 퍼텐셜 우물을 나타내는 AlywInxwGa1-xw-ywN 형의 층으로 이루어져 있고, 여기서 활성 커플에 대하여 xb ≤ xw 및 yb ≤ yw 관계가 유효하다. 또는, 상기 활성 커플 층들이 동일한 분극을 갖지 않는 경우에는 적어도 하나의 질화물 반도체 활성 커플 층들 내에 2 nm 미만의 두께를 갖는 적어도 하나의 AlydInxdGa1-xd-ydN 형의 층(여기서, yd ≤ yw 및 xd ≥ xw+0.3임)이 삽입되어, 이의 인접하는 층 내부에 운반체 끌기 층(carrier attracting layer)을 생성하며, 이는 퍼텐셜 우물로 나타나 발광 감쇠 시간을 감소시킨다. 상기 기판으로부터 먼 방향으로 가장 높은 활성 커플 위에 적어도 하나의 상부(top) 질화물 반도체 층이 배열된다.
주로 동일한 분극의 활성 커플 층들을 갖는 섬광 검출기의 이점은 정공 및 전자 파동 함수의 향상된 오버랩에 의해 야기되는 나노초(nanoseconds) 단위의 짧은 감쇠 시간 및 높은 발광 강도를 포함한다. 전자 및 정공 파동 함수의 오버랩을 증가시키기 위한 또다른 방법은 내부에서 스스로 전자들 및 정공들을 끌어당기는 운반체 끌기 층의 삽입이며, 이는 전자 및 정공의 공간 접근(spatial approximation)을 유발하여, 그 결과 여기된 발광 강도를 증가시키고, 신틸레이터 발광 감응(luminesce response)을 더욱 빠르게 만든다.
본 발명에 따른 GaN 버퍼 층을 갖는 섬광 검출기의 또다른 바람직한 실시에 있어서, 상기 장벽 층 및 상기 퍼텐셜 우물을 나타내는 층의 조성 및 두께는 다음관계를 따른다
|d1·(4.3·xw-yw) + d2·(4.3·xb-yb)| ≤ 1
에피택시 구조체 내 변형의 상호 보정을 위해, 두께 d1 및 d2는 나노미터 내에 들어있다. 헤테로구조체의 활성 영역 내 변형의 보정은 상기 헤테로구조체의 이 활성 영역의 크기를 증가시키는 것을 가능하게 하며, 따라서 검출된 방사선의 입사에 대하여 이 영역이 확장되고, 방사성 재결합을 위해 방출된 전자들 및 정공들의 수가 증가되어, 섬광 검출기 기능의 향상을 초래한다.
본 발명에 따른 섬광 검출기의 또다른 바람직한 실시에 있어서, 상기 헤테로구조체의 활성 영역은 적어도 두 번 주기적으로 반복되는 질화물 반도체 활성 커플 층들을 포함하되, 이들의 전체 두께는 200 nm를 초과(exceeds)한다.
본 발명에 따른 섬광 검출기의 또다른 바람직한 실시에 있어서, 상기 바닥 질화물 반도체 층은 AlyInxGa1-x-yN 형으로 이루어진다 (여기서 0 ≤ x < 0.5, 0 ≤ y < 0.5 및 0 ≤ x+y ≤ 1임).
본 발명에 따른 섬광 검출기의 또다른 바람직한 실시에 있어서, 상기 헤테로구조체는 상기 구조의 충분한 전도성 및 입사 전자 빔에 의해 유발되는 잉여 음 전하를 끌고 갈 수 있는 가능성에 이르도록 Ⅳ족 원소의 원자들에 의해 상부 질화물 반도체 층의 외부 표면으로부터 최소 1 μm의 두께로 도핑된다. 최대 1019 cm-3 농도의 실리콘 원자가 바람직하게 사용된다.
본 발명에 따른 섬광 검출기의 또다른 바람직한 실시에 있어서, 상기 단결정 기판은 이트륨-알루미늄 페로브스카이트(yttrium-aluminium perovskite), 단결정 GaN 형태 또는 사파이어 중에서의 물질로 이루어진다.
본 발명에 따른 섬광 검출기의 또다른 바람직한 실시에 있어서, 단결정 이트륨-알루미늄 페로브스카이트 기판 상에 제조되고, 성장 단계를 안정화시키기 위해 희토류 원소(rare earth elements)로 도핑된다.
이온화 방사선, 특히 전자, X-선 또는 입자 방사선의 검출을 위한 빠른 신틸레이터의 이점은 빠른 감쇠 시간, 더 높은 발광 강도, 운반체 끌기 층을 이용함으로써 압전 전기장 영향의 제거를 포함하는 활성 영역 내 압전 전기장 및 변형의 적어도 부분적인 보정에 있다.
본 발명은 첨부된 도면에 의해 더욱 상세히 설명될 것이며, 여기서:
도 1은 양자 우물이 있고, 압전 전기장(piezoelectric field)의 보정이 없으며, 전자 및 정공 파동 함수의 약한 오버랩(overlap)을 가져 신틸레이터 발광 강도를 저하시키고 이의 감쇠 시간을 연장시키는, 섬광 질화물 헤테로구조체(scintillation nitride heterostructure)의 전도대(conduction) 및 가전자대(valence bands) 끝의 경로의 개략도를 나타내고,
도 2는 보정된 압전 전기장 및 파동 함수들의 더욱 완벽한 오버랩을 갖는 섬광 질화물 헤테로구조체의 전도대 및 가전자대 끝의 경로의 개략도를 나타내고,
도 3은 함침된 역전 퍼텐셜 장벽이 있는 섬광 질화물 헤테로구조체의 전도대 및 가전자대 끝의 경로의 개략도를 나타내고,
도 4는 일정 분극을 유지하기 위한 개별적인 성분들의 비율의 3차원 그래프이고,
도 5는 기판 상에 생성된 거의 동일한 분극의 개별적 층들의 활성 영역을 가진 헤테로구조 층들의 개락도이고,
도 6은 함침된 운반체(immersed carrier) 끌기 층(attracting layer)을 가진 헤테로구조 층들의 개략도이고,
도 7은 제안된 해결책에 따라 제조된 시료 (실시예 5)와 공지 기술에 따라 제조된 시료 (US 8 164 069 B2 - InxGa1 - xN 양자 우물의 두께 2.2 nm, x=0.13, GaN 장벽의 두께 10 nm)의 광발광 강도에 따른 스펙트럼 비교이고,
도 8은 제안된 해결책에 따라 제조된 시료 (실시예 5 - 1 ns 미만의 감쇠 시간)와 공지 기술에 따라 제조된 시료 (US 8 164 069 B2 - InxGa1 - xN 양자 우물의 두께 2.2 nm, x=0.13, GaN 장벽의 두께 10 nm)의 시간 분해 통합적인 광발광 강도의 비교이다.
이하에 기술되고 묘사된 본 발명 실시의 구체적인 실시예들은 설명을 위해 나타낸 것이며 본 발명이 기술된 실시예들로 제한되는 것은 아니다. 당업자들은 통상적인 실험을 수행할 때, 여기 기술된 발명의 구체적인 실시에 비해 더 많은 또는 더 적은 양의 등가물을 발견하거나 확실히 할 수 있을 것이다. 이들 등가물 또한 뒤따르는 특허 청구항 범위에 포함된다.
도 1은 종래 기술에 따라 설계된 섬광 검출기에 대한 전자들 및 정공들의 파동 함수들 8 및 9 를 갖는 전도대(conduction) 및 가전자대(valence band)를 모두 나타낸다. 도 2 및 3은 본 발명의 해결책에 따라 설계된 섬광 검출기에 대한 전자들 및 정공들의 파동 함수들 8 및 9 를 갖는 전도대 및 가전자대를 모두 나타내며, 도 2에는 균형잡힌 분극을 가진 구조체를, 도 3에는 함침된 운반체 끌기 층을 갖는 구조체를 나타낸다. 도 4는 균형잡힌 압전 전기장을 유지하기 위해 활성 영역 물질의 개별적인 성분 값의 비율을 나타내는 3-차원 그래프를 도시한다. 도 5는 균형잡힌 분극을 가지고 단결정 기판(monocrystalline substrate) 1 상에 생성된 헤테로구조체(heterostructure)를 개략적으로 도시한다. 도 6은 함침된 운반체 끌기 층을 가지고 단결정 기판 1 상에 생성된 헤테로구조체를 개략적으로 도시한다.
실시예 1 - 전체 보정된 압전 전기장을 갖는 구조
신틸레이터(scintillator)의 일부분은 MOVPE 기술로 제조된 GaN 버퍼 층 2 를 갖는 다중층(multilayer) 반도체 질화물 헤테로구조체이다. 헤테로구조체 활성 영역의 품질 및 기능에 있어서, 상기 활성 영역 내 AlybInxbGa1 - xb - ybN 장벽 층 4 는 에피택시(epitaxial) 면 내 GaN 버퍼 층에 격자 매치되고, 동시에, 퍼텐셜 우물들(potential wells)을 나타내는 더 좁은 밴드갭(band gap)을 가진 AlywInxwGa1 - xw - ywN 층들 5 는 장벽 층들 4 와 동일한 분극(polarisation)을 가진다. 상기 AlybInxbGa1 - xb -ybN 장벽 층 4 는 원자들보다 대략 4.3× 이상의 Al 원자들을 함유해야 하며(yb=4.3·xb), 이에 버퍼층과 매치되는 격자가 될 수 있다.
상기 헤테로구조체는 배향(orientation) (111)을 가지고 YAP (이트륨-알루미늄 페로브스카이트; yttrium-aluminium perovskite) 기판 1 상에 제조된다. 제조 후, 상기 기판 1 의 질화가 NH3 + N2 분위기에서 1050 ℃의 온도에서 5 분의 기간 동안 수행되었다. 게다가, GaN 핵생성 층(nucleation layer) 2 이 540 ℃의 온도에서 제조되었고, 상기 층의 두께 t 4 는 30 nm이다. GaN 바닥 층(bottom layer) 3 이 1.1017 cm-3의 농도의 실리콘 원자들로 도핑되었고, 1050 ℃의 온도에서 제조되었으며, 상기 바닥 층 3 의 두께 t 1 은 2 μm이다. 상기 헤테로구조체의 활성 영역은 더 넓거나 더 좁은 밴드갭을 가진 교대하는 층들 4 및 5 로 인해 생성되며, 830 ℃의 온도에서 제조된다. 활성 커플들의 반복 수는 12이다. 상기 장벽 층 4 의 파라미터는 AlybInxbGa1 - xb - ybNyb (여기서 xb = 0.03, yb = 0.17)이고, 상기 층 4 의 두께 d 2 는 16 nm이다. 층 5 는 파라미터 AlywInxwGa1 - xw - ywN (여기서 xw = 0.13, yw = 0.24)를 가지고 층 5 의 두께 d 1 은 5 nm이다. 상기 활성 층은 Si 2.1018 cm-3의 농도의 실리콘으로 도핑된다. AlyGa1 - yN 형의 덮개 층 (6)은 y = 0.05의 조성을 가지고 830 ℃의 온도에서 제조되었다.
실시예 2 - 에피택시 층들 내 부분적으로 균형잡힌 압전 전기장 및 전체 보정된 변형을 가진 구조
다중층 반도체 헤테로구조체가 실시예 1에 따라 제조되었고, 더 작은 격자 상수 ab를 갖는 장벽 층 4 의 조성 및 두께 d 2 는, 더 큰 격자 상수 aw 및 두께 d 1 을 가진 퍼텐셜 우물을 나타내는 층 5 에 의해 유발된 변형이 격자 파라미터 a0을 가지고, 이 실시예에서는 GaN으로 생성된 바닥 층 3 에 대하여 균형 맞추어진 것과 동일한 방식으로 배열되었다. 동시에, 상기 압전 전기장는 층들 4 및 퍼텐셜 우물을 나타내는 퍼텐셜 층들 5 간에 보정된다 (둘다 형태는 동일한 분극을 가짐). 활성 영역은 더 넓고 더 좁은 밴드갭들을 가진 교대하는 층들 4 및 5 에 의해 생성되고, 830 ℃의 온도에서 제조된다. 활성 커플의 반복수는 30이다. 층들 4 및 5 의 파라미터는 AlybInxbGa1 - xb - ybN, (여기서 xb= 0, yb = 0.15)이고, 층의 두께 d 2 는 13 nm이며, AlywInxwGa1-xw-ywN, (여기서 xw = 0.13, yw = 0.24), 층의 두께 d 1 은 6 nm이다.
실시예 3 - 전체 보정된 압전 전기장 및 InxGa1-xN 버퍼 층을 갖는 구조
다중층 반도체 헤테로구조체를 실시예 1에 따라 제조하였고, 상기 헤테로구조체 활성 영역의 층들 내 Al 함량이 감소되도록 바닥 층 3 은 조성 x = 0.03을 갖는 InxGa1 - xN 형의 합금 반도체(alloy semiconductor)로 생성되었다. 활성 영역은 더 넓고 더 좁은 밴드갭을 가진 교대하는 층들 4 및 5 에 의해 생성되었고, 830 ℃의 온도에서 제조되었다. 활성 커플들의 반복 수는 15이다. 층들 4 및 5 의 파라미터들은 AlybInxbGa1 - xb - ybN이고 (여기서 xb = 0.02, yb = 0.03), 층 4 의 두께 d 2 는 8 nm이며, 층 5 는 AlywInxwGa1 - xw - ywN 형이고 (여기서 xw = 0.08, yw = 0.09), 두께 d 1 은 2 nm이다.
실시예 4 - 함침된 운반체(immersed carrier) 끌기 층을 갖는 구조
이 구조 (도 3 및 도 6를 참고)는 실시예 1에 따라 제조되나, 더 좁은 밴드갭과 AlywInxwGa1 - xw - ywN 조성을 갖는 층 5 에 운반체 끌기 층으로서 얇은 InxdGa1 - xdN 층 7 이 삽입되고, 상기 운반체 끌기 층은 스스로 내부에서 전자들 및 정공들을 끌어당겨 압전 전기장이 존재하는 경우에도 전하 운반체들의 파동 함수들의 오버랩을 향상시키며, 따라서 활성 영역 내의 알루미늄 농도를 감소시키는 것을 가능하게 한다.
상기 구조는 배향(orientation) (111)을 가지고 YAP (이트륨-알루미늄 페로브스카이트) 기판 1 상에 제조된다. NH3 + N2 분위기에서 1050 ℃의 온도에서 5 분의 기간 동안 상기 기판 1 의 질화가 수행되었다. 이후, GaN 물질로부터 핵생성 층 2 가 540 ℃의 온도에서 제조되었고, 이의 두께 t 4 는 30 nm이다. 다음으로 바닥 GaN 층 3 이 생성되었고, 1.1017 cm-3의 농도의 실리콘 원자들에 의해 도핑되고 1050 ℃의 온도에서 제조되었으며, 이 두께 t 1 은 2 μm이다.
활성 영역은 더 넓고 더 좁은 밴드갭을 갖는 교대하는 층들(alternating layers) 4 , 5 및 7 에 의해 생성되었고, 830 ℃, 780 ℃ 및 690 ℃의 온도에서 제조되었다. 활성 삼중층(triples)의 반복 수는 15이다.
상기 층 4 의 파라미터들은 AlybInxbGa1 - xb - ybN이고 (여기서 xb = 0.02, yb = 0.09), 상기 층 4 의 두께 d 2 는 12 nm이다. 상기 층 5 의 파라미터들은 AlywInxwGa1 - xw -ywN이고 (여기서 xw = 0.03, yw = 0.07), 상기 층 5 의 두께 d 1 은 2 nm이다. 상기 층 7 의 파라미터들은 InxdGa1 - xdN이고 (여기서 xd = 0.4), 상기 층 7 의 두께 t 3 은 1 nm이다. 활성 영역은 또한 농도 Si 2.1018 cm-3의 실리콘으로 도핑된다. AlyGa1 - yN 덮개 층 6 은 온도 830 ℃에서 제조되며 조성 y = 0.1를 가지고, 또한 헤테로구조체의 상부에 적층된다.
실시예 5 - 함침된 운반체 끌기 층을 갖는 또다른 구조
이 구조 (도 3 및 도 6 참조)는 실시예 4에 따라 제조되나, 구조는 조성 및 층들의 두께 뿐만 아니라 사용된 기판의 형태에 있어서 상이하다.
상기 구조체는 c- (0001) 배향을 가지고 사파이어 기판 1 상에 제조된다. NH3 + N2 분위기에서 1050 ℃의 온도에서 5 분의 기간 동안 상기 기판 1 의 질화가 수행되었다. 이후, GaN 물질로부터 핵생성 층 2 가 540 ℃의 온도에서 제조되었고, 이의 두께 t 4 는 25 nm이다. 다음으로 바닥 GaN 층 3 이 생성되었고, 1.1017 cm-3의 농도의 실리콘 원자들에 의해 도핑되었고 1050 ℃의 온도에서 제조되었으며, 이의 두께 t 1 은 6 μm이다.
활성 영역은 더 넓고 더 좁은 밴드갭을 갖는 교대하는 층들 4 , 5 및 7 에 의해 생성되었고, 830 ℃, 780 ℃ 및 680 ℃의 온도에서 제조되었다. 활성 삼중층의 반복 수는 15이다.
층 4 의 파라미터들은 AlybInxbGa1 - xb - ybN이고 (여기서 xb = 0, yb = 0), 층 4 의 두께 d 2 는 10 nm이다. 층 5 의 파라미터들은 AlywInxwGa1 - xw - ywN이고 (여기서 xw = 0.07, yw = 0), 층 5 의 두께 d 1 은 2 nm이다. 층 7 의 파라미터들은 InxdGa1 - xdN이고 (여기서 xd = 0.4), 층 7 의 두께 t 3 은 0.8 nm이다. 활성 영역은 또한 Si 1.1019 cm-3의 농도에서 실리콘으로 도핑되었다. 온도 830 ℃에서 제조되고 조성 y = 0.1을 갖는 AlyGa1-yN 덮개 층 6 역시 상기 헤테로구조체의 상부에 적층되었다.
실시예 6 - YAP:Ce 기판 상에 제조된 에피택시 층들 내 부분적으로 균형잡힌 압전 전기장 및 전체 보정된 변형을 갖는 구조
상기 다중층 반도체 헤테로구조체는 전체 보정된 변형을 갖는 구조체와 같이 실시예 2에 따라 제조되었으나, 배향 (111)을 가진 YAP 기판 상에 제조하고 Ce (0.17%)에 의해 도핑되었다. 상기 구조체는 또한 활성 층들 4 및 5 의 두께에 있어서 상이하며, 여기서 조성 xb = 0, yb = 0.15를 갖는 장벽 층 4 AlybInxbGa1 - xb - ybN은 두께 d 2 = 11 nm이고, 양자 우물 층 5 은 두께 d 1 =5 nm 및 조성 xW =0.13, yW = 0.24이다. 이중 층의 반복 수는 30이다.
실시예 7 - YAP:Nd 기판 상에 제조된 에피택시 층들 내 부분적으로 균형잡힌 압전 전기장 및 전체 보정된 변형을 갖는 구조체
다중층 반도체 헤테로구조체는 실시예 6에 따라 전체 보정된 변형을 갖는 구조로 제조되었으나, 배향 (111)을 가진 YAP 기판 상에 제조되었고, Nd (0.1%)에 의해 도핑되었다. 상기 구조체는 또한 활성 층들 4 및 5 의 두께에 있어서 상이한데, 여기서 xb = 0, yb = 0.15의 조성을 갖는 장벽 층 4 AlyBInxbGa1 - xb - ybN은 두께 d 2 = 9 nm이고 양자 우물 층 5 는 두께 d 1 =4 nm 및 조성 xW = 0.13, yW = 0.24을 가진다. 이중 층의 반복 수 35이다.
이온화 방사선, 특히 전자, X-선 또는 입자 방사선의 검출을 위한 본 발명에 따른 섬광 검출기는, 여러 분야 중에서, 특히 이온화 방사선을 가지고 수행하는 의료 영역에서, 전자 현미경에서, 물질들 및 제품의 연구 또는 분석을 위해 설계된 신속한 검출을 요구하는 장비에서, 즉 집적 회로(integrated circuits) 및 다른 전자 부품의 품질을 진단하는 분야에서, 더 나아가 신속한 고화질 CT 시스템을 포함하는 미세방사선촬영술(microradiography)에서, 그리고 많은 다른 연구 분야, 가령 천문학, 소립자 물리학 등에서 이용될 수 있다.
1 단결정 기판
2 버퍼 층
3 바닥 질화물 층
4 장벽 층
5 퍼텐셜 우물을 나타내는 층
6 상부 질화물 층
7 운반체 끌기 층을 나타내는 층
8 전자들의 파동 함수
9 정공들의 파동 함수
10 전도대의 끝
11 가전자대의 끝
d1 퍼텐셜 우물을 나타내는 층의 두께
d2 장벽 층의 두께
t1 바닥 질화물 층의 두께
t2 상부 질화물 층의 두께
t3 운반체 끌기 층을 나타내는 층의 두께
t4 핵생성 층의 두께
h 헤테로구조체 활성부의 두께

Claims (9)

  1. 이온화 방사선(ionising radiation), 전자, X-선 또는 입자 방사선의 검출을 위한 섬광 검출기(scintillation detector)이되, 단결정 기판(monocrystalline substrate) (1)을 포함하고, 상기 단결정 기판 위로 적어도 하나의 버퍼 층 (2)이 사용되어 상기 단결정 기판 (1) 상에 적어도 하나의 질화물 반도체 층이 에피택시(epitaxy)로 결합되며, 상기 질화물 반도체 층은 일반식 AlyInxGa1-x-yN으로 표현되고 (여기서 0 ≤ x < 1, 0 ≤ y < 1 및 0 ≤ x+y ≤ 1 임), 여기서 적어도 두 가지의 질화물 반도체 층들은 레이어드 헤테로구조체(layered heterostructure)로 배열되고, 이의 구조는 전자(electrons)들 및 정공(holes)들의 방사성 재결합을 위한 적어도 하나의 퍼텐셜 우물(potenfial well)을 포함하는 섬광 검출기에 있어서,
    상기 버퍼 층 (2) 상에 적어도 하나의 바닥(bottom) 질화물 반도체 층 (3)이 배열되고, 상기 바닥 질화물 반도체 층 (3) 위에 AlybInxbGa1-xb-ybN 형의 장벽(barrier) 층 (4) 및 퍼텐셜 우물을 나타내는 AlywInxwGa1-xw-ywN 형의 층 (5) (여기서 xb ≤ xw 및 yb ≤ yw임)으로 이루어지는 동일한 분극의 적어도 하나의 질화물 반도체 활성 커플 층 (4, 5)이 배열되거나, 적어도 하나의 질화물 반도체 활성 커플 층(4, 5) 내에 적어도 하나의 2 nm 미만의 두께 (t3)을 가진 AlydInxdGa1-xd-ydN 형의 층 (7) (여기서 yd ≤ yw 및 xd ≥ xw+0.3임)이 삽입되어 인접한 퍼텐셜 우물을 나타내는 층 (5) 내부에 운반체 끌기 층(carrier attracting layer)을 생성하여 발광 감쇠 시간을 감소시키고, 여기서 상기 기판 (1)으로부터 먼 방향으로 가장 높은 활성 커플 층 (4, 5) 위에 적어도 하나의 상부(top) 질화물 반도체 층 (6)이 배열되는 것을 특징으로 하는 섬광 검출기.
  2. 제 1항에 있어서,
    GaN 버퍼 층 상에 제조된 에피택시 면 내 장력의 상호 보정을 위해, 상기 장벽 층 (4) 및 퍼텐셜 우물을 나타내는 층 (5)의 조성 및 두께 (d1, d2)는 관계 |d1·(4.3·xw-yw) + d2·(4.3·xb-yb)| ≤ 1 (여기서 두께 (d1, d2)는 나노미터 내에 있음)을 따르는 것을 특징으로 하는 섬광 검출기.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 헤테로구조체(heterostructure)는 적어도 두 개의 질화물 반도체 활성 커플 층 (4, 5)을 포함하며, 이의 전체 두께 (h)는 200 nm를 초과하는 것을 특징으로 하는 섬광 검출기.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 바닥 질화물 반도체 층 (3)은 AlyInxGa1-x-yN 형 (여기서 0 ≤ x < 0.5 및 0 ≤ y < 0.5임)으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 섬광 검출기.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 헤테로구조체는 IV족 원소의 원자가 상기 상부 질화물 반도체 층 (6)의 외부 표면으로부터 최소한 1 μm의 깊이로 도핑되는 것을 특징으로 하는 섬광 검출기.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 원자는 최대 1019 cm-3 농도의 실리콘 원자인 것을 특징으로 하는 섬광 검출기.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 단결정 기판 (1)은 이트륨-알루미늄 페로브스카이트(yttrium-aluminium perovskite), GaN 단결정 형태 또는 사파이어 군으로부터의 물질로 제조된 것을 특징으로 하는 섬광 검출기.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 버퍼 층 (2)이 AlyInxGa1-x-yN로 생성될 때, 상기 단결정 기판 (1)은 희토류로 도핑된 이트륨-알루미늄 페로브스카이트에 의해 생성되고, 이의 두께 (t4)는 50 nm 미만인 것을 특징으로 하는 섬광 검출기.
  9. 삭제
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