用于探测电离辐射的闪烁探测器制造技术

用于探测电离辐射的闪烁探测器，该电离辐射尤其是电子、X射线或粒子辐射，该闪烁探测器包括单晶基底（1）、至少一个缓冲层（2）、至少一个氮化物半导体层（3、4、5、6），该至少一个氮化物半导体层被施加至具有外延的基底（1）上，该氮化物半导体层用通式AlyInxGa1‑x‑yN描述，其中0≤x≤1、0≤y≤1和0≤x+y≤1有效，其中至少两个氮化物半导体层（3、4）被设置在层状异质结构中，该层状异质结构的结构包含至少一个势阱，该至少一个势阱用于电子和空穴的辐射重组。在该结构中，设有大体上相同极化的氮化物半导体层（3、4）的至少一个活性双层，该至少一个活性双层由AlybInxbGa1‑xb‑ybN型的阻挡层（4）和表示势阱的AlywInxwGa1‑xw‑ywN型的层（5）组成，其中xb≤xw和yb≤yw有效；或者存在厚度（t3）小于2nm、AlydInxdGa1‑xd‑ydN型的至少一个载体吸引层（7），其中yd≤yw和xd≥xw+0.3，该至少一个载体吸引层（7）嵌入氮化物半导体层（4、5）的至少一个活性双层中，以减小发光衰减时间。

Scintillation detector for detecting ionizing radiation

Flash detector for detecting ionizing radiation, ionizing radiation, especially the electronic X rays or particle radiation, the scintillation detector comprises a single crystal substrate (1), at least one buffer layer (2) and at least one nitride semiconductor layer (3, 4, 5, 6), a base of the at least one nitrogen compound the semiconductor layer is applied to have the extension (1), the nitride semiconductor layer with the general formula AlyInxGa1 x yN description, and 0 = x = 1, 0 = y = 1 and x+y = 0 ~ 1, of which at least two nitride semiconductor layer (3, 4) are arranged in a layered heterostructure in the structure of the layered heterostructures containing at least one potential well, the at least one trap for radiative recombination of electrons and holes. In this structure, a nitride semiconductor layer is substantially the same polarization (3, 4) at least one active layer, the at least one activity by double barrier AlybInxbGa1 XB type ybN (4) and AlywInxwGa1 XW said wells type ywN layer (5), which XB = XW and Yb = YW; or (T3) thickness less than 2nm, AlydInxdGa1 XD ydN type at least one carrier layer (7), which attract YD = YW and XD = xw+0.3, the at least one carrier attracting layer (7) embedded in a nitride semiconductor layer (4, 5). At least one active double, to reduce the decay time.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及具有氮化物异质结构的半导体单晶闪烁探测器，该半导体单晶闪烁探测器被设计成用于探测电离辐射，尤其是电子、X射线或粒子辐射。
技术介绍
众所周知，具有宽带隙的半导体（如GaN或ZnO）适合在电离辐射的探测器中使用。这类型的材料表现出1ns数量级的激发发光的较短的衰减时间，且这类型的材料耐辐射。GaN的优点在于其以更高的结晶质量和以同质外延层的形式制备的可能性，在彼此的顶部上、以达到多个不同的层而被施加至单晶基底的较大表面上，这导致异质结构的形成。这些异质结构表现出较低的非辐射损失和较窄的发光最大值。专利文件US7053375B2描述一种半导体闪烁器，该半导体闪烁器包括来自周期表的III族元素，该III族元素与氮以半导体的形式化合，用于用电离辐射进行激发。此半导体化合物被构造于层内，在通常所述的基底上形成。此外，在半导体层和基底之间可存在半层，以平滑/改进被称为缓冲层的半导体结构。具有III族元素的各种氮化物及其合金可被用于在彼此上方施加的不同的层中，并形成异质结构。另一个已知的专利文件US8164069B2描述一种荧光剂对伴随光发射（发光）的电子入射的反应。该荧光剂包括载体单晶基底和氮化物半导体三明治结构，其中阻挡层与表示势阱的层交替。半导体层形成异质结构，该异质结构在一个基底侧的表面上形成。优选地，势阱用InxGa1-xN合金半导体形成。以上所述的方案的缺点在于，它们没有考虑到在具有不同构成的层的界面之间形成的强压电场。此压电场降低电子空穴波函数重叠，并且因此相当大地降低发光强度并延长发光衰减时间。这意味着闪烁器将具有没那么强且较慢的响应。以上提到的方案的再一个缺点是事实上，在电离辐射的入射期间，在半导体材料中的非辐射电子空穴重组消耗相对大量的能量。势阱的存在改善了此速度，但是辐射重组和非辐射重组所消耗的能量的产生比例仍然不足够。由于InxGa1-xN的不同晶格常数造成越来越多数量的InxGa1-xN阱，在半导体层中更高数量的势阱的获得被结构中增大的张力阻止，所述更高数量的势阱的获得将改善重组能量的产生比例。本专利技术的任务在于形成用于探测电离辐射的单晶氮化物闪烁探测器，该单晶氮化物闪烁探测器将消除已知方案的缺陷，抑制压电场的影响并降低结构中的张力，这将提高对入射电离辐射的发光响应的强度和速度。
技术实现思路
上述设定的任务通过形成用于探测电离辐射（尤其是电子、X射线或粒子辐射）的闪烁探测器来解决。闪烁探测器包括单晶基底，在该单晶基底上施加至少一个缓冲层。该缓冲层被施加用于将至少一个氮化物半导体层稳定结合至具有外延的单晶基底。该氮化物半导体层用通式AlyInxGa1-x-yN描述，关系0≤x≤1、0≤y≤1和0≤x+y≤1用于该通式。同时，至少两个氮化物半导体层被设置在层状异质结构中，该层状异质结构的结构包含至少一个势阱，该至少一个势阱用于由入射辐射产生的电子和空穴的辐射重组。本专利技术的原理包括的事实是：缓冲层用至少一个底部氮化物半导体层形成，且在底部氮化物半导体层上方设有大体上相同极化的氮化物半导体层的至少一个活性双层（activecouple）。活性双层由AlybInxbGa1-xb-ybN型的阻挡层和表示势阱的AlywInxwGa1-xw-ywN型的层组成，其中关系xb≤xw和yb≤yw对该活性耦有效。或者，如果该活性双层层不具有相同的极化，在氮化物半导体层的至少一个活性双层中嵌入厚度小于2nm、AlydInxdGa1-xd-ydN型的至少一个层，其中yd≤yw和xd≥xw+0.3有效，以在层的内部形成邻接至该层的载体吸引层，表示势阱以减小发光衰减时间。在最高的活性双层上方，以远离基底的方向设有至少一个顶部氮化物半导体层。具有大体上相同极化的活性双层层的闪烁探测器的优点包括：由空穴和电子波函数的重叠提高引起、以纳秒为单位的较短的衰减时间和较高的发光强度。增加电子和空穴波函数的重叠的另一个方式是嵌入载体吸引层，该载体吸引层将电子和空穴拉进自身，这引起电子和空穴空间逼近，因此提高激发发光强度并且使闪烁器发光响应更快。在具有根据本专利技术的GaN缓冲层的闪烁探测器的另一个优选的实施方案中，阻挡层和表示势阱的层的构成和厚度很好地符合以下关系：|d1·(4.3·xw–yw)+d2·(4.3·xb-yb)|≤1对于在外延结构中的张力的相互补偿，厚度d1和厚度d2以纳米输入。在异质结构的活性区域中的张力的补偿能够使异质结构的该活性区域的尺寸增大，因此该区域被扩大，用于所探测到的辐射的入射，而且用于辐射重组的所释放的电子和空穴的数目增加，这使闪烁探测器功能得到改善。在根据本专利技术的闪烁探测器的另一个优选的实施方案中，异质结构的活性区域包括氮化物半导体层的至少两个周期地重复的活性双层，该异质结构的活性区域总厚度超过200nm。在根据本专利技术的闪烁探测器的另一个优选的实施方案中，底部氮化物半导体层为AlyInxGa1-x-yN型，其中0≤x<0.5、0≤y<0.5和0≤x+y≤1有效。在根据本专利技术的闪烁探测器的另一个优选的实施方案中，从顶部氮化物半导体层的外表面、以至少1µm的深度、用IV族元素的原子对异质结构进行掺杂，以获得结构充足的传导性以及将由入射电子束引起的过剩的负电荷引走的可能性。优选使用达到1019cm-3浓度的硅原子。在根据本专利技术的闪烁探测器的另一个优选的实施方案中，单晶基底源于来自钇铝钙钛矿、单晶GaN形或蓝宝石的材料。在根据本专利技术的闪烁探测器的另一个优选的实施方案中，在单晶钇铝钙钛矿基底上制备，掺杂有稀土元素以稳定生长过程。用于探测电离辐射（尤其是电子、X射线或粒子辐射）的快速闪烁器的优点在于较快的衰减时间、较高的发光强度以及在活性区域中压电场和张力的至少部分补偿，包括通过使用载体吸引层来消除压电场影响。附图说明本专利技术将在附图中被更详细地说明，其中：图1示出闪烁氮化物异质结构的导带边缘和价带边缘的路线的示意图，该闪烁氮化物异质结构具有量子阱而没有压电场的补偿，且具有恶化闪烁器发光强度并延长其衰减时间的电子和空穴波函数的弱重叠；图2示出闪烁氮化物异质结构的导带的边缘和价带的边缘的示意路线，该闪烁氮化物异质结构具有补偿的压电场以及波函数的更完美重叠；图3示出闪烁氮化物异质结构的导带的边缘和价带的边缘的示意路线，该闪烁氮化物异质结构具有浸没式逆转势垒；图4为单个组分的比率的三维图，以保持恒定的极化；图5为异质结构层的示意图，该异质结构层具有在基底上形成的活性区域的单个层的几乎相同的极化；图6示出异质结构层的示意图，该异质结构层具有浸没式载体吸引层；图7为根据建议的方案（实施例5）所制备的样品和根据现有知识（US8164069B2：InxGa1-xN量子阱的厚度为2.2nm，x=0.13，GaN阻挡的厚度为10nm）所制备的样品关于光致发光强度的光谱依赖性的比较；图8为根据建议的方案（实施例5：衰减时间少于1ns）所制备的样品和根据现有知识（美国专利8164069B2：InxGa1-xN量子阱的厚度为2.2nm，x=0.13，GaN阻挡的厚度为10nm）所制备的样品关于时间分辨累积光致发光强度的比较。具体实施方式应该理解的是，以下说明和描述的本专利技术实施方案的具体示例是为了说明而示出，而本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于探测电离辐射的闪烁探测器，该电离辐射尤其是电子、X射线或粒子辐射，该闪烁探测器包括单晶基底（1），在该单晶基底（1）上施加至少一个缓冲层（2），用于将至少一个氮化物半导体层（3、4、5、6）结合在具有外延的单晶基底（1）上，该氮化物半导体层用通式AlyInxGa1‑x‑yN描述，其中0 ≤ x < 1、0 ≤ y < 1 和0 ≤ x+y ≤ 1有效，且其中至少两个氮化物半导体层（3、4）被设置在层状异质结构中，该层状异质结构的结构包含至少一个势阱，该至少一个势阱用于电子和空穴的辐射重组，其特征在于，在缓冲层（2）上设有至少一个底部氮化物半导体层（3），在该底部氮化物半导体层（3）上方设有大体上相同极化的氮化物半导体层（3、4）的至少一个活性双层，该至少一个活性双层由AlybInxbGa1‑xb‑ybN型的阻挡层（4）和表示势阱的AlywInxwGa1‑xw‑ywN型的层（5）组成，其中xb ≤ xw和yb ≤ yw有效；或者在氮化物半导体层（4、5）的至少一个活性双层中嵌入厚度（t3）小于2nm、AlydInxdGa1‑xd‑ydN型的至少一个层（7），其中yd ≤ yw和xd ≥ xw+0.3有效，以在层（5）的内部形成邻接至层（5）的载体吸引层，表示势阱以减小发光衰减时间；在层（3、4）的最高的活性双层上方，以远离基底（1）的方向设有至少一个顶部氮化物半导体层（6）。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.02.09 CZ PV2015-821.用于探测电离辐射的闪烁探测器，该电离辐射尤其是电子、X射线或粒子辐射，该闪烁探测器包括单晶基底（1），在该单晶基底（1）上施加至少一个缓冲层（2），用于将至少一个氮化物半导体层（3、4、5、6）结合在具有外延的单晶基底（1）上，该氮化物半导体层用通式AlyInxGa1-x-yN描述，其中0≤x<1、0≤y<1和0≤x+y≤1有效，且其中至少两个氮化物半导体层（3、4）被设置在层状异质结构中，该层状异质结构的结构包含至少一个势阱，该至少一个势阱用于电子和空穴的辐射重组，其特征在于，在缓冲层（2）上设有至少一个底部氮化物半导体层（3），在该底部氮化物半导体层（3）上方设有大体上相同极化的氮化物半导体层（3、4）的至少一个活性双层，该至少一个活性双层由AlybInxbGa1-xb-ybN型的阻挡层（4）和表示势阱的AlywInxwGa1-xw-ywN型的层（5）组成，其中xb≤xw和yb≤yw有效；或者在氮化物半导体层（4、5）的至少一个活性双层中嵌入厚度（t3）小于2nm、AlydInxdGa1-xd-ydN型的至少一个层（7），其中yd≤yw和xd≥xw+0.3有效，以在层（5）的内部形成邻接至层（5）的载体吸引层，表示势阱以减小发光衰减时间；在层（3、4）的最高的活性双层上方，以远离基底（1）的方向设有至少一个顶...

【专利技术属性】
技术研发人员：爱丽丝·霍斯波德科娃，卡雷尔·布拉泽克，爱德华·胡利休斯，扬·托斯，马丁·尼克尔，
申请(专利权)人：克莱托斯波尔公司，费兹卡尼厄斯达AVCR公司，
类型：发明
国别省市：捷克;CZ