Гамма-, рентгеночутливий діод шотткі

1. Гамма-, рентгеночутливий діод Шотткі, що має основу та шар матеріалу (2), на якому розташований контактний електрод, який відрізняється тим, що основа діода Шотткі виконана з селеніду цинку, легованого телуром, а шар матеріалу (2) виконаний здатним до ефективного поглинання квантів випромінювання з довжиною хвилі с, і його ширина забороненої зони менше або дорівнює енергії вторинних фотонів, породжених матеріалом основи, при цьому область просторового заряду (3) утворена контактним електродом (4). C2 2 (19) 1 3 в областях спектру від інфрачервоної до ультрафіолетової. Для уникнення цього недоліку, як правило, використовується складаний прилад, що включає в себе сцинтилятор і фотодіод для реєстрації люмінесцентного випромінювання. Відомий детектор -, Re-випромінювання, описаний в патенті США 200501199819 за 2005 р., авт. Wieczorek, Herfried Karl) [2]. Цей прилад також вибраний заявником в якості аналогу. Згаданий пристрій призначений для формування зображення об'єкта при дослідженні його за допомогою -, Re- випромінювання і складається із сцинтилятора, та матриці фотодіодів, що комутуються, закріплену на сцинтиляторі за допомогою клейового шару. Істотним недоліком такої конструкції є наявність клейового шару, що приводить до втрат світла через трудність точно підібрати коефіцієнт заломлення клею щодо речовин сцинтилятора та фотодіода, що мають різні коефіцієнти заломлення та забезпечити однорідність пропускання клейового шару, що позначається на якості зображень, особливо у випадку зниженої контрастності. Чутливість такого приладу також знижена через розбіжність спектральних характеристик сцинтилятора та фотодіода. Для усунення зазначених недоліків у свій час був запропонований інтегрований сцинтелектронний детектор випромінювання (далі СЕЛДВ), що описаний в книзі "Кристали сцинтиляторів і детектори іонізуючих випромінювань на їх основі" під загальною редакцією В. Д. Рижикова, К: "Наукова думка", 1998, стор. 301 - 303 [3], обраний заявником як прототип, у якому функції конвертера й фоточутливого елемента сполучені завдяки задовільним напівпровідниковим властивостям сцинтилятора, що дають можливість реалізувати перетворювач оптичної енергії квантів люмінесценції в електричний заряд, використовуючи матеріал сцинтилятора, в якому сформовано гетероперехід. Прототип складається з основи, що одночасно має якості сцинтилятора та nнапівпровідника та виконана з матеріалу ZnSe(Те)1-х, перехідного шару ZnTex (Se)1-x, р-шару ZnTe, напиленого омічного електроду з нікелю, напиленого омічного електроду з індію та виводів. При використанні напівпровідникових властивостей матеріалу сцинтилятора для можливої реєстрації квантів свого власного випромінювання с, необхідно враховувати одну особливість. У загальному випадку ширина забороненої зони Eg обраного напівпровідника-сцинтилятора може бути завелика для реєстрації с. Наприклад, для ZnSe, у якого Eg при Т = 300 дорівнює 2,8 еВ, зареєструвати с = 630 нм з енергією кванта Е 1,8 еВ неможливо. Сполучення в монолітному детекторі функції конверсії -, Re- випромінювання у видиме випромінювання й одночасну його реєстрацію, у випадку прототипу забезпечується шляхом створення гетеропереходу. Недоліком прототипу є те, що перед р-n переходом, де вторинні фотони з с можуть породити електронно-діркові пари, знаходиться досить товстий перехідний шар, в 91576 4 якому генерація пар ще практично неможлива. Шар має високий коефіцієнт поглинання вторинних квантів (див. наведений з [3] малюнок 6.3), де представлені оптичні характеристики СЕЛДВ ZnSe(Te) - ZnTe: 1 - спектр випромінювання ZnSe(Te); 2 - спектр фоточутливості структури ZnSe1-хТех; 3 - спектр оптичного пропускання ZnSe(Te); 4 - спектр оптичного пропускання ZnSe). Таке поглинання різко знижує чутливість інтегрованого фоточутливого елемента, а значить, прототипу в цілості. Задача - створення пристрою для реєстрації -, Re - випромінювання, який буде вільний від вказаних недоліків. Технічне рішення поставленої задачі досягається тим, що: 1. Маючи на меті сполучити в монолітному детекторі й конверсію -, Re- випромінювання у видиме випромінювання і його реєстрацію, заявник пропонує, як це показано на Фіг.1, наступну будову приладу: сцинтилятор (1), що має також напівпровідникові властивості і є основою приладу, має область (2), з ефективним поглинанням квантів с з утворенням електронно-діркових пар. Ця область повинна мати Eg Е с або енергетичні рівні в забороненій зоні з енергією |Еі- Ес| Е с чи (|ЕіEv| Е с). У загальному випадку матеріал такої створеної області може суттєво відрізнятися за своїми фізико-хімічними властивостями від початкового матеріалу [3]. Електронно-діркові пари, що виникли в описаний спосіб, не повинні рекомбінувати, інакше сигнальний заряд буде загублений. Для цього необхідно створити область поля (3), в якій електронно-діркові пари будуть розводитися, що й дасть можливість зареєструвати носії, породжені випромінюванням з довжиною хвилі с. Ця область (область просторового збіднення чи просторового заряду) виникає під впливом контактної різниці потенціалів між матеріалом основи та нанесеним на її поверхню металевим електродом. Металеве покриття (5) нанесене на протилежну сторону основи, прозоре для -, Re- випромінювання є омічним електродом детектора і забезпечує електричний контакт з основою (1). Вивід електрода діода - 6, вивід основи - 7. Додатковим достоїнством предмету винаходу є підвищена ефективність реєстрації власного випромінювання сцинтилятора с завдяки вилученню з конструкції приладу клейового прошарку та можливість інтеграції в багатоелементних приладах, виконаних за допомогою групових технологій. Форма детектора вибрана такою, щоб сприяти влученню відбитих зсередини фотонів с в область поглинання (3). 2. Діод за п. 1, який розроблений для використання в групових структурах (матрицях), має згадані аналоги [1], [2] та прототип [3] і згідно Фіг.3 відрізняється тим, що для забезпечення роботи пристрою як складової частини матриці його елементи мають іншу форму та розташування відносно сцинтилятора (1). Розвиток поверхні області (2), що має Eg Е с або енергетичні рівні в забороненій зоні з енергією |Еі- Ес| Е с чи (|Еі- Ev| 1,8 еВ, наприклад, ZnSe(Te), на боковій поверхні якого розміщені: напівпрозорий електрод (4) та шар напівпровідника з Eg 1,8 еВ (2). Збіднена область (3) сформована завдяки впливу металевого збираючого електрода (4) діода Шотткі з виводами 6 та 7. На протилежній стороні кристалу виконано діод Шотткі, під металевим електродом якого знаходиться збіднена область (9), що формується напівпрозорим металевим електродом діода Шотткі (10), що реєструє кванти синього світла, оскільки енергія кванта більша за ширину забороненої зони ZnSe(Te). З боку додаткового діода знаходиться кристал високоенергетичного сцинтилятора (11), наприклад, LSO або інший з синім кольором свічення, що утворює єдине ціле з іншими частинами пристрою або в результаті спікання з основою ZnSe з використанням перехідного прошарку (12), або епітаксіального вирощення на напівпрозорому електроді (10) з використанням, при необхідності, перехідного прошарку (12). Вивід збираючого електроду (14) діода Шотткі, що реєструє фотони високоенергетичного сцинтилятора (11), служить для підключення до подальшого реєструючого устаткування, що не є предметом винаходу. Інший вивід (13) підключено до основи кристалу сцинтилятора ZnSe(Te). Перелік графічних матеріалів. Фіг.1 представляє схематичну будову пристрою за п.1 з показанням схематичного зображення основи приладу, а також області, що повинна мати Eg Е с або енергетичні рівні в забороненій зоні з енергією |Еі - Ес| Е с чи (|ЕіEv| Е с), а також області просторового збіднен 7 ня, елементів діоду Шотткі та виводів для підключення пристрою до подальшої апаратури. Фіг.2 представляє схематичну будову пристрою за п.2, як елемента групової структури з показанням схематичного зображення основи приладу, а також області, що повинна мати Eg Е с або енергетичні рівні в забороненій зоні з енергією |Еі - Ес| Е с чи (|Еі- Ev| Е с), а також області просторового збіднення, елементів діоду Шотткі та виводів для підключення пристрою до подальшої апаратури. Фіг.3 представляє схематичну будову пристрою за п.3, з показанням схематичного зображення основи приладу, а також області, що повинна мати Eg Е с або енергетичні рівні в забороненій зоні з енергією |Еі - Ес| Е с чи (|Еі Ev| Е с), а також області просторового збіднення, елементів діоду Шотткі та виводів для підключення пристрою до подальшої апаратури. Фіг.4 представляє схематичну будову пристрою за п.4, з показанням схематичного зображення основи приладу, а також області, що повинна мати Eg Е с або енергетичні рівні в забороненій зоні з енергією |Еі - Ес| Е с чи (|Еі Ev| Е с), а також області просторового збіднення, елементів діоду Шотткі та виводів для підключення пристрою до подальшої апаратури. Фіг.5 представляє схематичну будову пристрою за п.5, з показанням схематичного зображення основи приладу, а також області, що повинна мати Eg Е с або енергетичні рівні в забороненій зоні з енергією |Еі - Ес| Е с чи (|Еі Ev| Е с), а також області просторового збіднення, елементів діоду Шотткі та виводів для підключення пристрою до подальшої апаратури. Фіг.6 представляє схематичну будову пристрою за п.6, з показанням схематичного зображення основи приладу, а також області, що повинна мати Eg Е с або енергетичні рівні в забороненій зоні з енергією |Еі - Ес| Е с, а також області просторового збіднення елементів діоду Шотткі та виводів для підключення пристрою до подальшої апаратури. Фіг.7 представляє схематичну будову пристрою за п.7, з показанням схематичного зображення основи приладу, а також областей, де сформовані відповідні області просторового збіднення, елементів діоду Шотткі та виводів для підключення пристрою до подальшої апаратури. Робота заявленого пристрою. 1. Згідно Фіг.1, падаючі фотони -, Re - випромінювання, проходячи через шар сцинтилятора (1) збуджують центри сцинтиляції, що випромінюють фотони видимого світла з довжиною хвилі с, які розповсюджуються у різних напрямах. Частина цих квантів потрапляє в область, що має Eg Е с або енергетичні рівні в забороненій зоні з енергією |Еі - Ес| Е с чи (|Еі - Ev| Е с) безпосередньо, частина породжених квантів спочатку віддзеркалюється від стінок приладу, що одночасно виконують роль омічного контакту (5) кристалу сцинтилятора. Під металевим електродом (4) діода Шотткі утворюється збіднена область просторового заряду, що породжена впливом бар'єрного зби 91576 8 раючого металевого електроду. Породжені квантами з с електронно-діркові пари в матеріалі основи пристрою по різному ведуть себе. Ті пари, що народились в збідненій області одразу розводяться електричним полем просторового заряду і носії визначеного знаку потрапляють на збираючі електроди, що підключені до виводів 6 та 7. Пари, породжені в нейтральному об'ємі, спочатку дифундують до області збіднення (3), і та частина з них, що не встигла рекомбінувати по дорозі, потрапляє в збіднену область і також розводиться електричним полем просторового заряду і також потрапляє на збираючі електроди, (6) та (7), але з затримкою через повільний процес дифузії та втратами на рекомбінацію. У випадку повного збіднення шару 2 всі пари будуть народжуватись в збідненій зоні і потрапляти на збираючі електроди виключаючи процес дифузії. 2. Згідно Фіг.2, робота пристрою за п.2 порівняно з першим варіантом не має особливостей, за винятком того, що з метою зменшення довжини холостого пробігу породжених фотонів в матеріалі сцинтилятора (1), що має відчутний коефіцієнт поглинання світла, та з ціллю використання варіанту як елемента групової структури, з метою збільшення поверхні фотореєструючого елементу використані стінки пристрою. 3. Згідно Фіг.3, робота пристрою порівняно з п.1 не має особливостей, за винятком того, що з метою зменшення впливу неоднорідностей контакту збираючого електроду (4) з областю (2), що має Eg Е с або енергетичні рівні в забороненій зоні з енергією |Еі - Ес| Е с чи (|Еі - Ev| Е с), а також для зменшення впливу матеріалу електроду на роботу діода Шотткі в цілому, між електродом (4) та областю просторового збіднення (3) розташований шар ізолятора (8). 4. Згідно Фіг.4, робота даного пристрою порівняно з п.1 не має особливостей, за винятком того, що з метою зменшення довжини холостого пробігу породжених фотонів в матеріалі сцинтилятора (1), що має відчутний коефіцієнт поглинання світла, для збільшення фотореєструючої області для приладів, що призначені для реєстрації розсіяних потоків випромінювання області (2), що мають Eg Е с або енергетичні рівні в забороненій зоні з енергією |Еі - Ес| E с чи (|Еі - Ev| Е с), області просторового збіднення (3) та збираючого електроду (4) діода Шотткі розташовані на верхній та нижній сторонах основи для збільшення кількості зареєстрованих прямих (не відображених від стінок) фотонів з с. 5. Згідно Фіг.5, робота даного пристрою порівняно з п.1 не має особливостей, за винятком того, що з метою збільшення поверхні фотореєструючої області та забезпечення багаторазового відбиття на малому відрізку шляху фотона з с нижня поверхня основи (1) приладу разом із областю (2), що має Eg Е с або енергетичні рівні в забороненій зоні з енергією |Еі - Ес| Е с чи (|Еі- Ev| Е с), області збіднення (3) та збираючого електроду (4), виконана рифленою. 6. Згідно Фіг.6, робота даного пристрою порівняно з п.1 не має особливостей, за винятком того, що вторинні фотони проходять через напівпрозо 9 рий електрод (5), що не розділений від області (2) діода Шотткі кристалом сцинтилятора (1) з метою зменшення впливу матеріалу основи на електричні параметри приладу, при чому завдяки використанню в структурі діода матеріалу, що має Eg Е с, і не легований домішками з глибоким рівнем залягання (наприклад, CdTe, з Eg = 1,51 eB), що має однакову з матеріалом основи будову кристалічної решітки як, наприклад, CdTe з ZnSe(Te), електронно-діркова пара породжується одним фотоном, що практично вдвічі підвищує чутливість пристрою. Підключення пристрою до подальшої апаратури не має особливостей. 7. Згідно Фіг.7, робота даного варіанту пристрою порівняно з першим варіантом не має особливостей, за винятком того, що з метою розширення діапазону енергій випромінювання, що реєструється, а також з метою одночасної незалежної реєстрації двох видів випромінювання, збуджуються два сцинтилятора - низькоенергетичний, червоного свічення (1) наприклад, ZnSe(Te), та високоенергетичний (11), наприклад, синього свічення - LSO. Вторинні фотони червоного світла сцинтилятора (1), що обов'язково повинен мати напівпровідникові властивості, наприклад, ZnSe(Te), потрапляють до фотореєструючого діоду Шотткі, що виконаний з речовини з Eg Е с = 1,8 еВ, наприклад, CdTe з Eg = 1,51 еВ, з елемен 91576 10 тами (2), (3), (4), (5), (6), (7), викликаючи появу заряду на збираючому електроді (5). За допомогою виводів (6), (7) сигнал з фотореєструючої структури потрапляє до подальшого підсилювальнореєструвального обладнання. В свою чергу, вторинні фотони синього світла сцинтилятора (11), що може й не мати напівпровідникові властивості, наприклад, LSO, потрапляють до фотореєструючого діоду Шотткі, що сформований з речовини сцинтилятора (1) з Eg Е с = 2,9 еВ, наприклад, ZnSe(Te), з елементами (8), (9), (10), (12), (13), (14), викликаючи появу заряду на збираючому електроді (10). За допомогою виводів (13), (14) сигнал з фотореєструючої структури потрапляє до подальшого підсилювально-реєструвального обладнання. Фотони червоного світла не можуть породити електронно-діркові пари в матеріалі сцинтилятора (1), тому що його Eg > Е с = 1,8 еВ, в той же час фотони синього світла, що попадають до сцинтилятора (1) через елемент, що реєструє кванти синього світла, породжені в кристалі сцинтилятора (11), інтенсивно поглинаються в матеріалі сцинтилятора (1) і, таким чином, не можуть викликати появу електронно-діркових пар в області першого фотореєструючого елемента, тобто кожен з фотодіодів Шотткі реєструє «свої» вторинні фотони. 11 91576 12 13 Комп’ютерна верстка Л.Литвиненко 91576 Підписне 14 Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601