CZ2011834A3 - Scintilacní detekcní jednotka se zvýsenou radiacní odolností - Google Patents

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.

Description

Scintilační detekční jednotka se zvýšenou radiační odolností

Oblast techniky

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.

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 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.

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.

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.

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.

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.

Patent US7030388B2 popisuje využití vrstevnatých struktur jako rychlého scintilačního detektoru v případě struktury složené z materiálů GaN a Ga-|._zln_zN.

Patentová přihláška PV 2011-106 popisuje jinou vrstevnatou strukturu založenou na kombinaci arsenidů a směsných arsenidů-fosfidů.

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 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).

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.

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.

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.

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.

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.

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“.

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).

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.

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.

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).

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.

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.

Přehled obrázků

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.

Příklad uskutečnění vynálezu

Příklad 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 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.

Příklad 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.

Průmyslová využitelnost

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.

Claims (6)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Scintilační detekční jednotka pro detekci elektronů, iontů a fotonů sendvičové struktury střídajících se monokrystalických vrstev materiálu kvantové jámy (3) a monokrystalických vrstev materiálu bariéry (2) kvantové jámy (3) vyznačující se tím, že materiálem kvantové jámy (3) nebo materiálem bariéry (2) kvantové jámy (3) je oxid zinečnatý.
2. 2. Scintilační detekční jednotka podle nároku 1, vyznačující se tím, že materiál kvantové jámy (3) je oxid zinečnatý ZnO o tloušťce 2 až 10 nm, a materiál bariéry (2) kvantové jámy (3) je oxid zinečnato-hořečnatý Mg_xZn-|. _XO o tloušťce 10 až 100 nm; přičemž 0<x<0,3.
3. 3. Scintilační detekční jednotka dle nároku 1, vyznačující se tím, že materiál kvantové jámy (3) je oxid zinečnato-kademnatý Zni._yCd_yO o tloušťce 2 až 10 nm; přičemž 0<y<0,1; a materiál bariéry (2) kvantové jámy (3) je oxid zinečnatý ZnO o tloušťce 10 až 100 nm.
4. 4. Scintilační detekční jednotka dle nároku 1, vyznačující se tím, že materiál kvantové jámy (3) je oxid zinečnatý ZnO o tloušťce 2 až 10 nm a materiál bariéry (2) kvantové jámy (3) je nitrid hlinito-galitý Ga-|._ZAI_ZN o tloušťce 10 až 100 nm ; přičemž 0<z<0,3.
5. 5. Scintilační detekční jednotka podle nároku 1 až 4 vyznačující se tím, že počet vrstev materiálu kvantové jámy (3) i počet vrstev materiálu kvantové bariéry (2) je alespoň 20.
6. 6. Scintilační detekční jednotka podle nároku 1 až 4 vyznačující se tím, že celková tloušťka scintilační detekční jednotky je alespoň 500 nm.