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JP2010280533A - Method for producing exciton-emitting ZnO scintillator by liquid phase epitaxial growth method - Google Patents

Method for producing exciton-emitting ZnO scintillator by liquid phase epitaxial growth method Download PDF

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JP2010280533A
JP2010280533A JP2009135475A JP2009135475A JP2010280533A JP 2010280533 A JP2010280533 A JP 2010280533A JP 2009135475 A JP2009135475 A JP 2009135475A JP 2009135475 A JP2009135475 A JP 2009135475A JP 2010280533 A JP2010280533 A JP 2010280533A
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zno
single crystal
scintillator
solvent
pbo
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Application number
JP2009135475A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Hideyuki Sekiwa
秀幸 関和
Jun Kobayashi
純 小林
Miyuki Miyamoto
美幸 宮本
Daichi Tokutake
大地 徳竹
Akira Yoshikawa
彰 吉川
Takeyuki Yanagida
健之 柳田
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Tohoku University NUC
Mitsubishi Gas Chemical Co Inc
Original Assignee
Tohoku University NUC
Mitsubishi Gas Chemical Co Inc
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Publication date
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Abstract

【課題】シンチレータ結晶を放射線検出に利用する場合に、蛍光寿命が長い長波長発光により放射線検出の弁別機能の安定性が害されるという問題を解決できる450〜600nmの発光が少ない励起子発光型シンチレータZnO単結晶の製造方法を提供する。
【解決手段】溶質であるZnOと溶媒とを混合して融解させた後、得られた融液に、基板を直接接触させることによりZnO単結晶を成長させる液相エピタキシャル成長法により、ノンドープZnO単結晶やIII族元素やランタノイド元素をドープしたZnO単結晶を製造する。
【選択図】図5
When a scintillator crystal is used for radiation detection, an exciton-emitting scintillator with low emission of 450 to 600 nm that can solve the problem that the stability of the discrimination function of radiation detection is impaired by long-wavelength emission with a long fluorescence lifetime. A method for producing a ZnO single crystal is provided.
A non-doped ZnO single crystal is obtained by a liquid phase epitaxial growth method in which ZnO as a solute and a solvent are mixed and melted, and then a ZnO single crystal is grown by directly contacting a substrate with the obtained melt. And ZnO single crystals doped with group III elements and lanthanoid elements.
[Selection] Figure 5

Description

本発明は、シンチレーション検出器におけるシンチレータとして用いるZnO単結晶に関する。   The present invention relates to a ZnO single crystal used as a scintillator in a scintillation detector.

放射線を計測するためのデバイスとして、シンチレーション検出器がある。典型的なシンチレーション検出器の構成を図1に示す。図1において、放射線がシンチレーション検出器100に入射すると、シンチレータ結晶110で入射した放射線に応じた蛍光が生じ、この光を光電子倍増管や半導体検出器120で検出することで、放射線を検出することができる。   There is a scintillation detector as a device for measuring radiation. A typical scintillation detector configuration is shown in FIG. In FIG. 1, when radiation enters the scintillation detector 100, fluorescence corresponding to the radiation incident on the scintillator crystal 110 is generated, and the radiation is detected by detecting this light with a photomultiplier tube or a semiconductor detector 120. Can do.

次世代シンチレータ・デバイスの候補として、TOF(Time of Flight)方式が提案されフッ化物を中心に検討が進められている。時間分解を行うためには、蛍光寿命が短ければ短いほど分解能を向上させることが可能であり、BaF2が最も理想に近いとされてきた。しかしながら、BaF2は発光量が少ない、発光波長が短いため石英窓を具備する高価な光電子倍増管(PMT)が必要になり、汎用のPMTが使用できないなどの問題点を抱えている。 A TOF (Time of Flight) method has been proposed as a candidate for the next generation scintillator device, and studies are proceeding mainly on fluorides. In order to perform time resolution, it is possible to improve the resolution as the fluorescence lifetime is shorter, and BaF 2 has been considered to be the most ideal. However, since BaF 2 has a small light emission amount and a short emission wavelength, an expensive photomultiplier tube (PMT) having a quartz window is required, and a general-purpose PMT cannot be used.

そこで、BaF2に替わる蛍光寿命が短いシンチレータとして、ワイドバンドギャップ化合物半導体の励起子発光シンチレータが提案されている。ZnO、CdSなどの化合物半導体をシンチレータとして用いれば、蛍光寿命が短く、発光波長も370nmとなり、汎用的なPMTや半導体検出器が使用可能となる。 Therefore, an exciton light emitting scintillator of a wide band gap compound semiconductor has been proposed as a scintillator having a short fluorescence lifetime instead of BaF 2 . If a compound semiconductor such as ZnO or CdS is used as a scintillator, the fluorescence lifetime is short and the emission wavelength is 370 nm, so that a general-purpose PMT or semiconductor detector can be used.

一方、シンチレーション応用として汚染物質の放射能分布の確認用途がある。従来は、この確認にオードジオグラフィー(ARG)やイメージングプレートが利用されてきた。これらは数十年にわたり使用されてきているため動作が安定している利点はあるが、前者は現像フィルムが必要で、かつフィルムからでは放射能強度がわからないという問題を持つ。後者はプレートそのものは使いやすいが、大型の測定装置にかけて解析する必要がある。また、両者とも測定対象物(汚染物)から測定試料を作製し、装置にセットする必要があるとともに、事前に露光時間を決定する(適切な露光時間を推測する)必要があるため、その場での確認はできずに、結果が出るまでに時間を要するという問題点がある。   On the other hand, as a scintillation application, there is an application for confirming the radioactive distribution of contaminants. Conventionally, an autogeography (ARG) or an imaging plate has been used for this confirmation. Since these have been used for several decades, there is an advantage that the operation is stable, but the former has a problem that a developing film is necessary and the radioactivity intensity is not known from the film. In the latter case, the plate itself is easy to use, but it must be analyzed using a large measuring device. In both cases, it is necessary to prepare a measurement sample from the measurement object (contaminant), set it in the apparatus, and determine the exposure time in advance (estimate the appropriate exposure time). However, there is a problem that it takes time until results are obtained.

これらパッシブな計測装置に対し、リアルタイムに放射線を検知したら発光し、それを電気信号に変換することができれば、放射能汚染の早期発見、迅速対応に活かすことが可能となる。   If these passive measuring devices emit light when radiation is detected in real time and can be converted into an electrical signal, it can be used for early detection of radioactive contamination and quick response.

上記問題点を解決する手段として、ワイドバンドギャップ化合物半導体の励起子発光シンチレータがDerenzoらによって提案されている(非特許文献1;Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A505 (2003) 111−117、特許文献1;米国特許出願公開第2006/219928号明細書)。   As means for solving the above problems, an exciton light emitting scintillator of a wide band gap compound semiconductor has been proposed by Derenzo et al. (Non-Patent Document 1; Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A505 (2003) 111-117, Patent Document) 1; U.S. Patent Application Publication No. 2006/219928).

ZnO、CdSなどのワイドギャップ型化合物半導体をシンチレータとして用いれば、蛍光寿命が短く、発光波長も370〜380nmとなり、汎用的なPMTや半導体検出器が使用可能となる。同文献によれば、X線励起による蛍光寿命は0.11nsec〜0.82nsecと蛍光寿命が短い。しかしながら、これらの文献に記載されたシンチレータ材料は多結晶体である。多結晶体の場合、微結晶の向きなどにより発光強度のムラが生ずることがあり、粒径により空間分解能が左右されるという欠点を有する。高空間分解能および効率的なシンチレータ発光のためにはシンチレータは単結晶である方が好ましい。   If a wide gap type compound semiconductor such as ZnO or CdS is used as a scintillator, the fluorescence lifetime is short, the emission wavelength is 370 to 380 nm, and a general-purpose PMT or semiconductor detector can be used. According to this document, the fluorescence lifetime due to X-ray excitation is as short as 0.11 to 0.82 nsec. However, the scintillator materials described in these documents are polycrystalline. In the case of a polycrystal, there are cases where the emission intensity varies depending on the orientation of the microcrystals and the spatial resolution depends on the particle size. For high spatial resolution and efficient scintillator light emission, the scintillator is preferably a single crystal.

また、III族およびランタノイドを1ppm〜10mol%程度ドープしたZnO単結晶の励起子発光型シンチレータ応用が提案されている(特許文献2;国際公開第2007/094785号パンフレット、非特許文献2;Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A505 (2003) 82−84)。   In addition, an exciton emission scintillator application of ZnO single crystal doped with about 1 ppm to 10 mol% of Group III and lanthanoid has been proposed (Patent Document 2; International Publication No. 2007/094785, Non-Patent Document 2; Nuclear Instruments). and Methods in Physics Research A505 (2003) 82-84).

同文献によれば、InドープZnO単結晶において蛍光寿命が0.6nsecと記載されている。しかしながら、これらの文献に記載されたシンチレータ材料は“High pressure direct melting technique"法で作製されている。同法では、高圧かつ高温が必要で結晶成長コストが高い上、単結晶部分と多結晶部分の混在するため、前記多結晶体と同様の不具合が存在する。   According to this document, the fluorescence lifetime of an In-doped ZnO single crystal is described as 0.6 nsec. However, the scintillator materials described in these documents are produced by the “High pressure direct melting technique” method. In this method, high pressure and high temperature are required, the crystal growth cost is high, and a single crystal portion and a polycrystalline portion are mixed, so that the same defects as the polycrystalline body exist.

上記多結晶体の問題点を解決する手法として、ワイドバンドギャップ型ZnO単結晶の励起子発光を利用したシンチレータが提案されている(特許文献3;国際公開第2005/114256号パンフレット、非特許文献3;独立行政法人 新エネルギー・産業技術総合開発機構 平成17年度研究成果報告書“実用型TOF検出器用超高速シンチレータ単結晶材料の開発”)。   As a technique for solving the problems of the polycrystal, a scintillator using exciton emission of a wide band gap ZnO single crystal has been proposed (Patent Document 3; International Publication No. 2005/114256 pamphlet, non-patent document). 3; New Energy and Industrial Technology Development Organization, 2005 Research Report “Development of ultra-high-speed scintillator single crystal materials for practical TOF detectors”).

同報告では、ZnO単結晶成長法としてPt内式のオートクレーブを用いて水熱合成法を採用している。同成長法を用いると、高い結晶性を有する大型のZnO単結晶を成長することが可能となる。しかしながら、同結晶は結晶表面の加工歪み、格子間亜鉛や酸素欠陥などの不純物準位に起因した蛍光および成長時に用いられる鉱化剤から混入するLiなどの影響で、α線などの電離放射線が照射されると励起子発光であるバンド端発光より長波長領域である450〜600nm付近に発光成分が存在するという欠点を有していた。また、ZnOを用いたシンチレータ結晶の発光量は、典型的なシンチレータ結晶であるBi4Ge312(BGO)の15%程度に留まっていた(非特許文献4;高エネルギーニュース Vol.21 No.2 41−50 2002)。 In this report, a hydrothermal synthesis method using a Pt internal autoclave is adopted as a ZnO single crystal growth method. When the same growth method is used, a large ZnO single crystal having high crystallinity can be grown. However, the crystal is subject to ionizing radiation such as alpha rays due to the effects of processing distortion on the crystal surface, fluorescence caused by impurity levels such as interstitial zinc and oxygen defects, and Li mixed from mineralizers used during growth. When irradiated, there was a drawback that a light-emitting component was present in the vicinity of 450 to 600 nm, which is a longer wavelength region than the band edge emission that is exciton emission. Further, the amount of light emitted from the scintillator crystal using ZnO was limited to about 15% of Bi 4 Ge 3 O 12 (BGO) which is a typical scintillator crystal (Non-patent Document 4; High Energy News Vol. 21 No. .2 41-50 2002).

一般的に、励起子発光の蛍光寿命は短いが、励起子発光以外の蛍光寿命は長くなる。したがって、シンチレータ結晶を放射線の検出に利用する場合、励起子発光以外に発光があると、放射線検出の弁別機能の安定性を害するという欠点を有しており、励起子発光のみが支配的となるシンチレータ結晶が求められていた。同報告では、結晶表面の加工歪みを低減させる研磨方法の改善やInドープによる励起子発光波長の長波長シフトによる発光量増大などの改善は見られたが、励起子発光より長波長成分の発光強度が大きいという問題点が解決できていなかった。   In general, the fluorescence lifetime of exciton emission is short, but the fluorescence lifetime other than exciton emission is long. Therefore, when the scintillator crystal is used for radiation detection, if there is light emission other than exciton light emission, there is a disadvantage that the stability of the discrimination function of radiation detection is impaired, and only exciton light emission becomes dominant. A scintillator crystal has been sought. In this report, improvement of polishing method to reduce processing distortion on the crystal surface and improvement of emission amount due to long wavelength shift of exciton emission wavelength by In doping were seen, but emission of longer wavelength component than exciton emission The problem of high strength could not be solved.

一方、レーザパルス堆積法(PLD)、MBEおよびMOCVD法などの気相成長法を用いると高品質なZnO単結晶が成長可能であるが、気相成長法では製膜速度が遅く、1μm以上の膜厚を有するZnO単結晶を成長させるためには多大な時間が掛かる欠点を有していた。ZnO単結晶の場合、α線や電子線では5〜50μm程度の侵入深さがあり、ZnO単結晶だけでα線や電子線を阻止するのに十分な厚みを気相成長法では短時間で成長できない問題点を有していた。   On the other hand, high-quality ZnO single crystals can be grown by using vapor phase growth methods such as laser pulse deposition (PLD), MBE, and MOCVD. However, the vapor deposition method has a low film formation rate and is 1 μm or more. In order to grow a ZnO single crystal having a film thickness, there is a drawback that it takes a lot of time. In the case of a ZnO single crystal, there is a penetration depth of about 5 to 50 μm with an α-ray or electron beam, and a sufficient thickness to block the α-ray or electron beam with a ZnO single crystal alone can be achieved in a short time by vapor phase growth. It had problems that could not grow.

米国特許出願公開第2006/219928号明細書US Patent Application Publication No. 2006/219928 国際公開第2007/094785号パンフレットInternational Publication No. 2007/095475 Pamphlet 国際公開第2005/114256号パンフレットInternational Publication No. 2005/114256 Pamphlet 国際公開第2007/100146号パンフレットInternational Publication No. 2007/100146 Pamphlet

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A505 (2003) 111−117Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A505 (2003) 111-117 Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A505 (2003) 82−84Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A505 (2003) 82-84 独立行政法人 新エネルギー・産業技術総合開発機構 平成17年度研究成果報告書“実用型TOF検出器用超高速シンチレータ単結晶材料の開発”New Energy and Industrial Technology Development Organization 2005 Research Results Report “Development of Ultra-High Speed Scintillator Single Crystal Materials for Practical TOF Detectors” 高エネルギーニュース Vol.21 No.2 41−50 2002High Energy News Vol. 21 No. 2 41-50 2002 Appl. Phys. Lett. 78 1237 (2001)Appl. Phys. Lett. 78 1237 (2001)

上述するような状況において、励起子発光以外の可視域発光が抑制されたZnO系シンチレータ単結晶を液相エピタキシャル成長法(LPE法)で製造する方法が求められていた。   Under the circumstances described above, a method for manufacturing a ZnO-based scintillator single crystal in which visible light emission other than exciton light emission is suppressed by a liquid phase epitaxial growth method (LPE method) has been demanded.

本発明者らは、溶液成長法によるZnO単結晶の成長方法について出願している(特許文献4;国際公開第2007/100146号パンフレット)。同出願の方法を用いれば、溶質であるZnOと溶媒であるPbOおよびBi23あるいはPbF2およびPbOとを混合して融解させた後、得られた融液に基板を直接接触させることにより、ノンドープZnO単結晶を基板上に成長させることができる。また、同出願の方法を用いるとAl、Ga、InなどのIII族元素およびランタノイド元素を1mol%以下の量で含有させたZnO単結晶も製造することができる。 The present inventors have applied for a method for growing a ZnO single crystal by a solution growth method (Patent Document 4; International Publication No. 2007/100146 pamphlet). Using the method of the application, after it melted by mixing the PbO and Bi 2 O 3 or PbF 2 and PbO is ZnO and the solvent is solute, by contacting the substrate directly resulting melt A non-doped ZnO single crystal can be grown on the substrate. In addition, when the method of the same application is used, a ZnO single crystal containing a group III element such as Al, Ga and In and a lanthanoid element in an amount of 1 mol% or less can also be produced.

一方、本発明者らは鋭意研究の結果、水熱合成法などの方法で成長したZnO単結晶は、格子間亜鉛や酸素空孔などのn型結晶欠陥および高濃度の不純物Liが存在し、このような結晶欠陥や不純物Liはα線や電子線が照射されると450〜600nmの波長域で減衰寿命が長い発光の原因となることを見出した。そこで、上記特許文献4の方法を用いて製造した、ノンドープZnO単結晶やIII族元素やランタノイド元素をドープしたZnO単結晶を用いると、450〜600nmの発光が少ない励起子発光型ZnO単結晶を得ることができることを見出した。   On the other hand, as a result of diligent research, the present inventors have found that a ZnO single crystal grown by a method such as hydrothermal synthesis has n-type crystal defects such as interstitial zinc and oxygen vacancies and a high concentration of impurity Li, It has been found that such crystal defects and impurities Li cause light emission having a long decay lifetime in the wavelength region of 450 to 600 nm when irradiated with α rays or electron beams. Therefore, when using a non-doped ZnO single crystal or a group III element or lanthanoid element-doped ZnO single crystal manufactured by the method of Patent Document 4, an exciton-emitting ZnO single crystal with a small emission of 450 to 600 nm is obtained. Found that can be obtained.

本発明の好ましい実施形態によれば、450〜600nmの発光が少ない励起子発光型ZnO単結晶を製造することができるため、シンチレータ結晶を放射線検出に利用する場合に、蛍光寿命が長い長波長発光により放射線検出の弁別機能の安定性が害されるという問題を解決することができる。   According to a preferred embodiment of the present invention, an exciton-emitting ZnO single crystal that emits less light at 450 to 600 nm can be produced. Therefore, when a scintillator crystal is used for radiation detection, long-wavelength emission with a long fluorescence lifetime is possible. Therefore, the problem that the stability of the discrimination function of radiation detection is impaired can be solved.

図1は、典型的なシンチレーション検出器の構成である。FIG. 1 shows a typical scintillation detector configuration. 図2は、本発明の実施形態において使用する一般的なLPE(Liquid phase epitaxial:LPE)成長炉である。FIG. 2 shows a typical LPE (Liquid phase epitaxy: LPE) growth furnace used in the embodiment of the present invention. 図3は、実施例で用いたLPE成長炉の構成図である。FIG. 3 is a configuration diagram of the LPE growth furnace used in the examples. 図4は、水熱合成基板のα線励起透過スペクトルである。FIG. 4 is an α-ray excitation transmission spectrum of the hydrothermal synthesis substrate. 図5は、実施例1に係るα線励起シンチレータ光の透過スペクトルである。FIG. 5 is a transmission spectrum of the α-ray excited scintillator light according to the first embodiment. 図6は、実施例2に係るα線励起シンチレータ光の透過スペクトルである。FIG. 6 is a transmission spectrum of the α-ray excited scintillator light according to the second embodiment. 図7は、実施例3に係るα線励起シンチレータ光の透過スペクトルである。FIG. 7 is a transmission spectrum of the α-ray excited scintillator light according to the third embodiment. 図8は、実施例4に係るα線励起シンチレータ光の透過スペクトルである。FIG. 8 is a transmission spectrum of the α-ray excited scintillator light according to the fourth embodiment. 図9は、実施例5に係るα線励起シンチレータ光の透過スペクトルである。FIG. 9 is a transmission spectrum of the α-ray excited scintillator light according to the fifth embodiment. 図10は、実施例6に係るα線励起シンチレータ光の透過スペクトルである。FIG. 10 is a transmission spectrum of the α-ray excited scintillator light according to Example 6. 図11は、比較例1に係るα線励起シンチレータ光の透過スペクトルである。FIG. 11 is a transmission spectrum of the α-ray excited scintillator light according to Comparative Example 1. 図12は、実施例1〜6および比較例1に係るα線励起シンチレータ光の発光量の比較図である。12 is a comparison diagram of the light emission amounts of α-ray excited scintillator light according to Examples 1 to 6 and Comparative Example 1. FIG.

<第1の実施形態>
本発明の第1の実施形態は、溶質であるZnOと溶媒との混合・溶融物に、基板を直接接触させることによりZnO単結晶を成長させる液相エピタキシャル成長法により作製されることを特徴とする、励起子発光型ZnOシンチレータの製造方法である。
<First Embodiment>
The first embodiment of the present invention is produced by a liquid phase epitaxial growth method in which a ZnO single crystal is grown by bringing a substrate into direct contact with a mixture / melt of a solute ZnO and a solvent. This is a method for manufacturing an exciton-emitting ZnO scintillator.

すなわち、溶質であるZnOと溶媒とを混合して融解させた後、得られた融液に基板を直接接触させ、さらに温度を降下させることで過飽和となった融液中に析出するZnO単結晶を、基板上に成長させるLPE法により、励起子発光型ZnOシンチレータを製造する方法である。   That is, after melting and mixing ZnO as a solute and a solvent, the substrate is brought into direct contact with the obtained melt, and further the temperature is lowered, so that the ZnO single crystal precipitated in the supersaturated melt Is a method of manufacturing an exciton-emitting ZnO scintillator by an LPE method in which a substrate is grown on a substrate.

本実施形態に係る製造方法により得られた励起子発光型ZnOシンチレータによれば、α線および電子線などの電離放射線による励起時の蛍光寿命が短い励起子発光のみが支配的となり、蛍光寿命が長い発光成分が低減され、放射線検出の弁別機能を安定化することが可能となる。さらに、α線など電離放射線を照射したときの発光量をBGO比15%以上に向上させることができる。したがって、本実施形態で得られたZnO単結晶シンチレータは、高速のα線や電子線などの検出器に応用が可能となる。なお、励起子発光型ZnOシンチレータに照射される電離放射線としては、α線、γ線、電子線、X線、中性子線などが挙げられる。   According to the exciton emission type ZnO scintillator obtained by the manufacturing method according to the present embodiment, only exciton emission having a short fluorescence lifetime at the time of excitation by ionizing radiation such as α rays and electron beams is dominant, and the fluorescence lifetime is reduced. Long light-emitting components are reduced, and the radiation detection discrimination function can be stabilized. Furthermore, the amount of light emitted when irradiated with ionizing radiation such as α rays can be improved to a BGO ratio of 15% or more. Therefore, the ZnO single crystal scintillator obtained in this embodiment can be applied to high-speed detectors such as α rays and electron beams. Examples of the ionizing radiation applied to the exciton-emitting ZnO scintillator include α rays, γ rays, electron beams, X rays, neutron rays, and the like.

<第2の実施形態>
本発明の第2の実施形態は、溶質であるZnOと溶媒との混合・溶融物に、基板を直接接触させることによりZnO単結晶を成長させる液相エピタキシャル成長法において、ZnOに対し、Al、Ga、Inおよびランタノイド元素を585ppm以下ドープすることを特徴とする、励起子発光型ZnOシンチレータの製造方法である。
<Second Embodiment>
The second embodiment of the present invention is a liquid phase epitaxial growth method in which a ZnO single crystal is grown by bringing a substrate into direct contact with a mixture / melt of ZnO as a solute and a solvent. , In and a lanthanoid element are doped with 585 ppm or less, and a method for producing an exciton-emitting ZnO scintillator.

本実施形態に係る製造方法により得られた励起子発光型ZnOシンチレータによれば、α線および電子線などの電離放射線による励起時の蛍光寿命が短い励起子発光のみが支配的となり、蛍光寿命が長い発光成分が低減され、放射線検出の弁別機能を安定化することが可能となる。さらに、α線など電離放射線を照射したときの発光量をBGO比15%以上に向上させることができる。したがって、本実施形態で得られたZnO単結晶シンチレータは、高速のα線や電子線などの検出器に応用が可能となる。   According to the exciton emission type ZnO scintillator obtained by the manufacturing method according to the present embodiment, only exciton emission having a short fluorescence lifetime at the time of excitation by ionizing radiation such as α rays and electron beams is dominant, and the fluorescence lifetime is reduced. Long light-emitting components are reduced, and the radiation detection discrimination function can be stabilized. Furthermore, the amount of light emitted when irradiated with ionizing radiation such as α rays can be improved to a BGO ratio of 15% or more. Therefore, the ZnO single crystal scintillator obtained in this embodiment can be applied to high-speed detectors such as α rays and electron beams.

第2の実施形態では、III族およびランタノイド元素のドープ量は、ZnOに対し585ppm以下が好適である。より好ましくはZnOに対し146ppm以下であり、さらに好ましくはZnOに対し59ppm以下であり、もっとも好ましくはノンドープである。585ppmを越えると、発光量がBGO比15%以下となるので好ましくない。   In the second embodiment, the doping amount of the group III and lanthanoid elements is preferably 585 ppm or less with respect to ZnO. More preferably, it is 146 ppm or less with respect to ZnO, More preferably, it is 59 ppm or less with respect to ZnO, Most preferably, it is non-doped. If it exceeds 585 ppm, the amount of luminescence becomes 15% or less of the BGO ratio, which is not preferable.

<第3の実施形態>
本発明の第3の実施形態は、前記溶媒がPbF2およびPbOであり、溶質と溶媒との混合比が溶質:溶媒=2〜20mol%:98〜80mol%であり、溶媒であるPbF2とPbOとの混合比がPbF2:PbO=20〜80mol%:80〜20mol%である、上述する励起子発光型ZnOシンチレータの製造方法である。
<Third Embodiment>
In the third embodiment of the present invention, the solvent is PbF 2 and PbO, the mixing ratio of the solute and the solvent is solute: solvent = 2 to 20 mol%: 98 to 80 mol%, and the solvent is PbF 2 mixing ratio of PbO is PbF 2: PbO = 20~80mol%: a 80~20mol%, is a manufacturing method of exciton emission type ZnO scintillator above.

この実施形態によれば、PbOとPbF2とが共晶系を形成し、PbOまたはPbF2単独の融点よりも低い温度でのLPE成長が可能となるため、溶媒の蒸発が抑制できる。したがって、組成変動が少なく安定な結晶育成が行える上、炉材消耗が抑制でき、育成炉が密閉系でなくてもよくなるため、低コストでの製造が可能となる。 According to this embodiment, PbO and PbF 2 form a eutectic system, and LPE growth at a temperature lower than the melting point of PbO or PbF 2 alone becomes possible, so that evaporation of the solvent can be suppressed. Accordingly, stable crystal growth can be performed with little composition variation, furnace material consumption can be suppressed, and the growth furnace does not have to be a closed system, so that low-cost production is possible.

また、結晶成長法として熱平衡成長に近いLPE法を用いているため、転移や欠陥が少ない高品質なZnO単結晶を製造することができる。この実施形態で得られたドープZnO単結晶シンチレータは、高速のα線や電子線などの検出器に応用が可能となる。   Moreover, since the LPE method close to thermal equilibrium growth is used as the crystal growth method, a high-quality ZnO single crystal with few transitions and defects can be manufactured. The doped ZnO single crystal scintillator obtained in this embodiment can be applied to high-speed detectors such as α rays and electron beams.

溶媒組成としては、好ましくはPbF2:PbO=20〜80mol%:80〜20mol%であり、より好ましくはPbF2:PbO=30〜70mol%:70〜30mol%であり、さらに好ましくはPbF2:PbO=40〜60mol%:60〜40mol%である。この範囲であれば、溶媒であるPbF2とPbOとの蒸発量を抑制でき、その結果、溶質濃度の変動が少なくなり、LPE法でノンドープ、あるいは、III族およびランタノイドドープのZnO単結晶を安定に成長させることができる。さらに、炉材消耗が抑制でき育成炉が密閉系でなくてもよくなることで、低コストでZnO単結晶を育成できる。 As the solvent composition, preferably PbF 2: PbO = 20~80mol%: a 80~20Mol%, more preferably PbF 2: PbO = 30~70mol%: a 70~30Mol%, more preferably PbF 2: PbO = 40 to 60 mol%: 60 to 40 mol%. Within this range, the amount of evaporation of the solvents PbF 2 and PbO can be suppressed. As a result, the fluctuation of the solute concentration is reduced, and the non-doped or group III and lanthanoid-doped ZnO single crystals are stabilized by the LPE method. Can grow into. Furthermore, since the furnace material consumption can be suppressed and the growth furnace does not have to be a closed system, a ZnO single crystal can be grown at a low cost.

溶質であるZnOと溶媒であるPbF2とPbOとの混合比は、溶質:溶媒=2〜20mol%:98〜80mol%であることが好ましい。より好ましくは、溶質濃度が5mol%〜10mol%である。溶質濃度が5mol%以上では実効的成長速度をより速くすることができ、10mol%以下では溶質成分を溶解させる温度をより低く抑えることができ、溶媒蒸発量を少なくすることができる。 The mixing ratio of ZnO as a solute and PbF 2 and PbO as a solvent is preferably solute: solvent = 2 to 20 mol%: 98 to 80 mol%. More preferably, the solute concentration is 5 mol% to 10 mol%. When the solute concentration is 5 mol% or more, the effective growth rate can be further increased, and when the solute concentration is 10 mol% or less, the temperature at which the solute component is dissolved can be kept lower, and the amount of solvent evaporation can be reduced.

<第4の実施形態>
本発明の第4の実施形態は、前記溶媒がPbOおよびBi23であり、溶質と溶媒との混合比が溶質:溶媒=5〜30mol%:95〜70mol%であり、溶媒であるPbOとBi23との混合比がPbO:Bi23=0.1〜95mol%:99.9〜5mol%である、上述する励起子発光型ZnOシンチレータの製造方法である。
<Fourth Embodiment>
In a fourth embodiment of the present invention, the solvent is PbO and Bi 2 O 3 , and the mixing ratio of the solute and the solvent is solute: solvent = 5-30 mol%: 95-70 mol%, and PbO as the solvent And the Bi 2 O 3 mixing ratio of PbO: Bi 2 O 3 = 0.1 to 95 mol%: 99.9 to 5 mol%.

この実施形態によれば、結晶成長法として熱平衡成長に近いLPE法を用い、さらにZnO結晶内へ取込まれづらいイオン半径の大きい元素で構成される融剤であるPbOおよびBi23を用いることにより、結晶内への不純物の混入が少ない高品質なZnO単結晶を製造することができる。特に、フッ素不純物の混入を低減した高品質なZnO単結晶を製造することができる。この実施形態で得られたZnO単結晶シンチレータは、高速のα線や電子線などの検出器に応用が可能となる。 According to this embodiment, the LPE method close to thermal equilibrium growth is used as the crystal growth method, and PbO and Bi 2 O 3 which are fluxes composed of elements having a large ionic radius that are difficult to be incorporated into the ZnO crystal are used. As a result, a high-quality ZnO single crystal with few impurities mixed into the crystal can be produced. In particular, a high-quality ZnO single crystal with reduced contamination of fluorine impurities can be produced. The ZnO single crystal scintillator obtained in this embodiment can be applied to high-speed detectors such as α rays and electron beams.

溶媒組成としては、PbO:Bi23=0.1〜95mol%:99.9〜5mol%が好ましい。より好ましくは、PbO:Bi23=30〜90mol%:70〜10mol%であり、特に好ましくは、PbO:Bi23=60〜80mol%:40〜20mol%である。PbOもしくはBi23単独溶媒では、液相成長温度が高くなるので、上記のような混合比を有するPbOとBi23との混合溶媒が好適である。 As the solvent composition, PbO: Bi 2 O 3 = 0.1~95mol%: 99.9~5mol% is preferred. More preferably, PbO: Bi 2 O 3 = 30~90mol%: a 70~10mol%, particularly preferably, PbO: Bi 2 O 3 = 60~80mol%: a 40~20mol%. In the case of a PbO or Bi 2 O 3 single solvent, the liquid phase growth temperature becomes high, and therefore a mixed solvent of PbO and Bi 2 O 3 having the above mixing ratio is suitable.

溶質であるZnOと溶媒であるPbOおよびBi23との混合比は、溶質:溶媒=5〜30mol%:95〜70mol%であることが好ましい。より好ましくは、溶質濃度が5mol%〜10mol%である。溶質濃度が、5mol%以上では成長速度をより速くすることができ、10mol%以下では成長温度をより低く抑えることができる。 The mixing ratio of ZnO as the solute and PbO and Bi 2 O 3 as the solvent is preferably solute: solvent = 5-30 mol%: 95-70 mol%. More preferably, the solute concentration is 5 mol% to 10 mol%. When the solute concentration is 5 mol% or more, the growth rate can be further increased, and when the solute concentration is 10 mol% or less, the growth temperature can be suppressed to be lower.

<本発明に適当な結晶成長法>
ノンドープZnO単結晶、あるいは、III族やランタノイドをドープしたZnO単結晶を成長させる方法としては、大別して気相成長法と液相成長法が用いられてきた。気相成長法としては、化学気相輸送法(特開2004−131301号公報参照)、分子線エピタキシーや有機金属気相成長法(特開2004−84001号公報参照)、昇華法(特開平5−70286号公報参照)などが用いられてきたが、転移、欠陥などが多く、結晶品質が不十分であった。
<Crystal growth method suitable for the present invention>
As a method for growing a non-doped ZnO single crystal or a ZnO single crystal doped with a group III or lanthanoid, a vapor phase growth method and a liquid phase growth method have been used roughly. As the vapor phase growth method, chemical vapor transport method (see Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-131301), molecular beam epitaxy or metal organic vapor phase growth method (see Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-84001), sublimation method (Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 5). -70286, etc.) have been used, but there were many dislocations and defects, and the crystal quality was insufficient.

一方、液相成長法では、原理的に熱平衡で結晶育成が進行するため、気相成長法より高品質な結晶を製造しやすい利点を有する。しかしながら、ZnOは融点が1975℃程度と高温である上、蒸発しやすいことから、シリコン単結晶などで採用されているチョクラルスキー法を用いてZnO単結晶を成長させることは困難であった。そのため、ZnO単結晶を成長させる方法としては、目的物質を適当な溶媒に溶解し、その混合溶液を降温して飽和状態とし、目的物質を融液から成長させる静置徐冷法、水熱合成法、フラックス法、フローティングゾーン法、トップシードソリューショングロース(TSSG)法、溶液引上法およびLPE成長法などが用いられてきた。   On the other hand, the liquid phase growth method has an advantage that it is easier to manufacture high quality crystals than the vapor phase growth method because crystal growth proceeds in principle in thermal equilibrium. However, since ZnO has a high melting point of about 1975 ° C. and easily evaporates, it has been difficult to grow a ZnO single crystal using the Czochralski method employed in silicon single crystals and the like. Therefore, as a method for growing the ZnO single crystal, the target substance is dissolved in a suitable solvent, the mixed solution is cooled to a saturated state, and the target substance is grown from the melt. A flux method, a floating zone method, a top seed solution growth (TSSG) method, a solution pulling method, an LPE growth method, and the like have been used.

本発明におけるZnO単結晶成長法としては、液相エピタキシャル法(LPE法)、フラックス法、TSSG法および溶液引上法などを用いることができる。これらの様々な方法の中でも、ZnO系単結晶を成長させる方法としては、比較的低コストかつ大面積成長が可能であり、特にシンチレータなどへの応用を考慮すると、機能別の層構造を形成しやすいLPE法が好適である。特に、結晶性が高く大面積基板を容易に得ることができる水熱合成法で製造されたZnO単結晶を基板として、ノンドープZnO単結晶、あるいは、III族やランタノイドをドープしたZnO単結晶をLPE法で成長させる方法(液相ホモエピタキシャル成長法)が好適である。   As the ZnO single crystal growth method in the present invention, a liquid phase epitaxial method (LPE method), a flux method, a TSSG method, a solution pulling method, and the like can be used. Among these various methods, as a method of growing a ZnO-based single crystal, growth at a relatively low cost and a large area is possible. In particular, considering application to a scintillator, a layer structure according to function is formed. The easy LPE method is suitable. In particular, a non-doped ZnO single crystal or a group III or lanthanoid-doped ZnO single crystal is used as an LPE by using a ZnO single crystal produced by a hydrothermal synthesis method that has a high crystallinity and can easily obtain a large-area substrate. A method of growing by a method (liquid phase homoepitaxial growth method) is suitable.

<本発明に適当なLPE成長炉>
本発明の実施形態において使用する一般的なLPE成長炉を図2に示す。LPE成長炉内には、原料を溶融し融液として収容する白金るつぼ4が、ムライト製(アルミナ+シリカ)のるつぼ台9の上に載置されている。白金るつぼ4の外側にあって側方には、白金るつぼ4内の原料を加熱して溶融する3段の側部ヒーター(上段ヒーター1、中央部ヒーター2、下段ヒーター3)が設けられている。ヒーターは、それらの出力が独立に制御され、融液に対する加熱量が独立して調整される。ヒーターと製造炉の内壁との間にムライト製の炉心管11が、炉心管11上部にはムライト製の炉蓋12が設けられている。白金るつぼ4の上方には引上げ機構が設けられている。引上げ機構にアルミナ製の引上軸5が固定され、その先端には、基板ホルダー6とホルダーで固定された基板7が設けられている。引上軸5上部には、軸を回転させる機構が設けられている
<LPE growth furnace suitable for the present invention>
A typical LPE growth furnace used in an embodiment of the present invention is shown in FIG. In the LPE growth furnace, a platinum crucible 4 for melting a raw material and storing it as a melt is placed on a crucible base 9 made of mullite (alumina + silica). Outside the platinum crucible 4 and on the side thereof, three-stage side heaters (upper heater 1, central heater 2, lower heater 3) for heating and melting the raw material in the platinum crucible 4 are provided. . The outputs of the heaters are controlled independently, and the heating amount for the melt is adjusted independently. A mullite-made core tube 11 is provided between the heater and the inner wall of the manufacturing furnace, and a mullite-made furnace lid 12 is provided above the core tube 11. A pulling mechanism is provided above the platinum crucible 4. A pulling shaft 5 made of alumina is fixed to the pulling mechanism, and a substrate holder 6 and a substrate 7 fixed by the holder are provided at the tip thereof. A mechanism for rotating the shaft is provided on the upper portion of the pull-up shaft 5.

従来、LPE炉を構成する部材において、上記るつぼ台9、炉心管11、引上軸5および炉蓋12にはアルミナやムライトが専ら使用されてきた。したがって、LPE成長温度や原料溶解温度である700〜1100℃の温度域では、アルミナやムライト炉材からAl成分が揮発し、溶媒内に溶解して、これがZnO単結晶薄膜内に混入していると考えられる。   Conventionally, alumina and mullite have been exclusively used for the crucible base 9, the furnace core tube 11, the pull-up shaft 5 and the furnace lid 12 in the members constituting the LPE furnace. Therefore, in the temperature range of 700 to 1100 ° C., which is the LPE growth temperature and the raw material melting temperature, the Al component is volatilized from the alumina and mullite furnace materials and dissolved in the solvent, and this is mixed in the ZnO single crystal thin film. it is conceivable that.

本発明ではIII族のドープ量の制御が重要である。III族のドープ量は仕込み組成で制御することが望ましい。したがって、LPE炉を構成する炉材を非Al系材料にすることで、LPE成長ZnO単結晶薄膜へのAl不純物混入を低減することができる。非Al系炉材としては、ZnO炉材が最適であるが、市販されていないことを考慮すると、ZnO薄膜に混入してもキャリヤとして働かない材料としてMgOが好適である。また、アルミナとシリカで構成されるムライト製炉材を使用してもLPE膜中のSi不純物濃度が増えないSIMS分析結果を考慮すると、石英炉材も好適である。その他には、カルシヤ、シリカ、ZrO2およびジルコン(ZrO2+SiO2)、SiC、Si34なども利用可能である。 In the present invention, control of the group III doping amount is important. It is desirable to control the doping amount of the group III by the charged composition. Therefore, mixing the Al impurities into the LPE-grown ZnO single crystal thin film can be reduced by making the furnace material constituting the LPE furnace a non-Al material. As a non-Al-based furnace material, a ZnO furnace material is optimal, but considering that it is not commercially available, MgO is suitable as a material that does not function as a carrier even when mixed in a ZnO thin film. In view of SIMS analysis results in which the Si impurity concentration in the LPE film does not increase even when a mullite furnace material composed of alumina and silica is used, a quartz furnace material is also preferable. In addition, calcium, silica, ZrO 2 and zircon (ZrO 2 + SiO 2 ), SiC, Si 3 N 4 and the like can be used.

以上より、本発明の好ましい実施形態では、非Al系の炉材としてMgOおよび/または石英から構成されるLPE成長炉を用いて、ノンドープZnO単結晶、あるいは、III族およびランタノイドドープZnO単結晶を製造する。さらに、成長炉が、るつぼを載置するためのるつぼ台、該るつぼ台の外周を取り囲むように設けられた炉心管、該炉心管の上部に設けられ、炉内の開閉を行う炉蓋、および基板を上下させるための引上軸を備え、これらの部材が、それぞれ独立に、MgOまたは石英によって作製されている態様も好ましい。   From the above, in a preferred embodiment of the present invention, a non-doped ZnO single crystal or a group III and lanthanoid doped ZnO single crystal is obtained using an LPE growth furnace composed of MgO and / or quartz as a non-Al-based furnace material. To manufacture. And a crucible base for placing the crucible on the crucible, a core tube provided so as to surround the outer periphery of the crucible base, a furnace lid provided on the top of the core tube for opening and closing the furnace, and A mode in which a pulling shaft for moving the substrate up and down is provided, and these members are independently made of MgO or quartz is also preferable.

<本発明に適当なその他の要件>
本発明の実施形態において、ZnO溶解度やPbF2とPbOの蒸発量あるいはPbOとBi23の蒸発量が大きく変化しない範囲で、LPE成長温度の制御、溶媒粘性の調整を目的として、溶媒に第三成分を1種または2種以上添加することができる。例えば、第三成分としては、B23、P25、V25、MoO3、WO3、SiO2、MgO、BaOなどが挙げられる。また、本発明の第3の実施形態の溶媒に、第三成分としてBi23を添加してもよい。
<Other requirements suitable for the present invention>
In the embodiment of the present invention, in order to control the LPE growth temperature and adjust the solvent viscosity, the ZnO solubility, the evaporation amount of PbF 2 and PbO, or the evaporation amount of PbO and Bi 2 O 3 are not significantly changed. One or two or more third components can be added. For example, examples of the third component include B 2 O 3 , P 2 O 5 , V 2 O 5 , MoO 3 , WO 3 , SiO 2 , MgO, and BaO. Further, Bi 2 O 3 may be added as a third component to the solvent of the third embodiment of the present invention.

本発明の実施形態において用いられる基板としては、ZnOと同類の結晶構造を有し、成長薄膜と基板とが反応しないものであれば特に限定されず、格子定数が近いものが好適に用いられる。例えば、サファイヤ、LiGaO2、LiAlO2、LiNbO3、LiTaO3、ZnOなどが挙げられる。本発明における目的単結晶がZnOであることを考慮すると、基板と成長結晶の格子整合度が高いZnOが最適である。 The substrate used in the embodiment of the present invention is not particularly limited as long as it has a crystal structure similar to ZnO and the grown thin film does not react with the substrate, and a substrate having a close lattice constant is preferably used. For example, sapphire, LiGaO 2, LiAlO 2, LiNbO 3, LiTaO 3, ZnO or the like can be mentioned. Considering that the target single crystal in the present invention is ZnO, ZnO having a high degree of lattice matching between the substrate and the grown crystal is optimal.

以下、本発明の一実施態様に係るノンドープZnO単結晶、III族およびランタノイドドープZnO単結晶の育成法として、これらのZnO単結晶膜をZnO単結晶基板上にLPE法で製膜する方法について説明する。本発明は、以下の実施例に何ら限定されるものではない。   Hereinafter, as a method for growing non-doped ZnO single crystals, group III and lanthanoid doped ZnO single crystals according to an embodiment of the present invention, a method of forming these ZnO single crystal films on a ZnO single crystal substrate by the LPE method will be described. To do. The present invention is not limited to the following examples.

<LPE成長炉の運転条件の概要>
実施例で用いたLPE成長炉の構成図を図3に示す。単結晶製造炉内には原料を溶融し融液として収容する白金るつぼ4がるつぼ台9’の上に設けられている。白金るつぼ4の外側にあって側方には、白金るつぼ4内の原料を加熱して溶融する3段の側部ヒーター(上段ヒーター1、中央部ヒーター2、下段ヒーター3)が設けられている。ヒーターは、それらの出力が独立に制御され、融液に対する加熱量が独立して調整される。ヒーターと製造炉の内壁との間には、炉心管11’が設けられ、炉心管11’の上部には炉内の開閉を行う炉蓋12’が設けられている。白金るつぼ4の上方には引上げ機構が設けられている。引上げ機構には石英製の引上軸5’が固定され、その先端には、基板ホルダー6とホルダーで固定された基板7が設けられている。石英製の引上軸5’上部には、引上軸5’を回転させる機構が設けられている。白金るつぼ4の下方には、るつぼ内の原料を溶融するための熱電対10が設けられている。
<Outline of operating conditions of LPE growth furnace>
The block diagram of the LPE growth furnace used in the Example is shown in FIG. In the single crystal manufacturing furnace, a platinum crucible 4 for melting a raw material and storing it as a melt is provided on a crucible base 9 '. Outside the platinum crucible 4 and on the side thereof, three-stage side heaters (upper heater 1, central heater 2, lower heater 3) for heating and melting the raw material in the platinum crucible 4 are provided. . The outputs of the heaters are controlled independently, and the heating amount for the melt is adjusted independently. A core tube 11 ′ is provided between the heater and the inner wall of the manufacturing furnace, and a furnace lid 12 ′ for opening and closing the inside of the furnace is provided above the core tube 11 ′. A pulling mechanism is provided above the platinum crucible 4. A pulling shaft 5 'made of quartz is fixed to the pulling mechanism, and a substrate holder 6 and a substrate 7 fixed by the holder are provided at the tip thereof. A mechanism for rotating the pull-up shaft 5 'is provided on the upper portion of the pull-up shaft 5' made of quartz. Below the platinum crucible 4, a thermocouple 10 for melting the raw material in the crucible is provided.

白金るつぼ内の原料を溶融するため、原料が溶融するまで製造炉を昇温する。好ましくは650〜1000℃まで、さらに好ましくは700〜900℃に昇温し、2〜3時間静置して原料融液を安定化させる。このとき、3段ヒーターにオフセットを掛け、融液表面よりるつぼ底が数℃高くなるよう調節する。好ましくは、−100℃≦H1オフセット≦0℃、0℃≦H3オフセット≦100℃、さらに好ましくは、−50℃≦H1オフセット≦0℃、0℃≦H3オフセット≦50℃である。   In order to melt the raw material in the platinum crucible, the temperature of the production furnace is increased until the raw material is melted. The temperature is preferably raised to 650 to 1000 ° C, more preferably 700 to 900 ° C, and the mixture is allowed to stand for 2 to 3 hours to stabilize the raw material melt. At this time, an offset is applied to the three-stage heater, and the bottom of the crucible is adjusted to be several degrees higher than the melt surface. Preferably, −100 ° C. ≦ H1 offset ≦ 0 ° C., 0 ° C. ≦ H3 offset ≦ 100 ° C., more preferably −50 ° C. ≦ H1 offset ≦ 0 ° C., 0 ° C. ≦ H3 offset ≦ 50 ° C.

るつぼ底温度が700〜900℃の種付け温度になるよう調節し、融液の温度が安定化した後、基板を5〜120rpmで回転させながら、引上軸を下降させることで基板を融液表面に接液する。基板を融液になじませた後、温度一定または、0.025〜5.0℃/hrで温度降下を開始し、基板の面に目的とするノンドープまたはドープZnO単結晶を成長させる。成長時も基板は引上軸の回転によって5〜300rpmで回転しており、一定時間ごとに逆回転させる。   After adjusting the bottom temperature of the crucible to a seeding temperature of 700 to 900 ° C. and stabilizing the temperature of the melt, the substrate is brought to the melt surface by lowering the pulling shaft while rotating the substrate at 5 to 120 rpm. Wetted in contact with. After the substrate is adjusted to the melt, a temperature drop is started at a constant temperature or 0.025 to 5.0 ° C./hr to grow a desired non-doped or doped ZnO single crystal on the surface of the substrate. Also during the growth, the substrate is rotated at 5 to 300 rpm by the rotation of the pulling shaft, and is reversely rotated every predetermined time.

30分〜24時間程度かけて結晶成長させた後、基板を融液から切り離し、引上軸を200〜300rpm程度の高速で回転させることで、融液成分を分離させる。その後、室温まで1〜24時間かけて冷却して目的のZnO単結晶薄膜を得る。また、成長膜厚によっては、経時的あるいは連続的に石英軸を引上げながら成長させることもできる。   After crystal growth for about 30 minutes to 24 hours, the substrate is separated from the melt, and the melt component is separated by rotating the pulling shaft at a high speed of about 200 to 300 rpm. Then, it cools to room temperature over 1 to 24 hours, and obtains the target ZnO single crystal thin film. Further, depending on the growth film thickness, it is possible to grow while pulling up the quartz axis with time or continuously.

<実施例1〜6、比較例1>
本実施例では、溶媒としてPbOおよびBi23を用いて、ノンドープまたはGaドープのZnO単結晶を液相エピタキシャル成長法で作製した。
<Examples 1 to 6, Comparative Example 1>
In this example, a non-doped or Ga-doped ZnO single crystal was produced by a liquid phase epitaxial growth method using PbO and Bi 2 O 3 as solvents.

内径75mmφ、高さ75mmh、厚さ1mmの白金るつぼに、以下に示す表1の配合で原料を仕込んだ。溶媒組成はPbO:Bi23=66.67mol%:33.33mol%、ZnOの溶質濃度は約7.00mol%となる。Ga組成は、ZnOに対しノンドープ(実施例1)、あるいは29ppm、59ppm、146ppm、293ppm、585ppm、2920ppm(それぞれ実施例2〜6、比較例1)となる。 Raw materials were charged in a platinum crucible having an inner diameter of 75 mmφ, a height of 75 mmh, and a thickness of 1 mm according to the formulation shown in Table 1 below. The solvent composition is PbO: Bi 2 O 3 = 66.67 mol%: 33.33 mol%, and the solute concentration of ZnO is about 7.00 mol%. The Ga composition is non-doped with respect to ZnO (Example 1), or 29 ppm, 59 ppm, 146 ppm, 293 ppm, 585 ppm, and 2920 ppm (Examples 2 to 6 and Comparative Example 1 respectively).

原料を仕込んだるつぼを図3に示す炉に設置し、るつぼ底温度約900℃で溶解させた。その後、同温度で3時間保持後、るつぼ底温度が約800℃になるまで降温してから、水熱合成法で育成した+C面方位でサイズが10mm×10mm×0.5mmtのZnO単結晶基板を接液し、石英製の引上軸を60rpmで回転させながら同温度で12時間成長させた。このとき、軸の回転方向は5分おきに反転させた。その後、石英製の引上軸を上昇させることで、融液から切り離し、200rpmで軸を回転させることで、融液成分を振り切り、無色透明のノンドープまたはGaドープのZnO単結晶薄膜を得た。   The crucible charged with the raw material was placed in the furnace shown in FIG. 3 and melted at a crucible bottom temperature of about 900 ° C. After that, after holding at the same temperature for 3 hours, the temperature was lowered until the crucible bottom temperature reached about 800 ° C., and then a ZnO single crystal substrate having a size of 10 mm × 10 mm × 0.5 mmt in the + C plane orientation grown by the hydrothermal synthesis method And was grown at the same temperature for 12 hours while rotating the pulling shaft made of quartz at 60 rpm. At this time, the rotation direction of the shaft was reversed every 5 minutes. Thereafter, the pulling shaft made of quartz was raised to separate it from the melt, and the shaft was rotated at 200 rpm to shake off the melt component, thereby obtaining a colorless and transparent non-doped or Ga-doped ZnO single crystal thin film.

得られたノンドープまたはGaドープのZnO単結晶薄膜の成長時間、LPE膜厚、および成長速度の結果を表2に示す。得られたこれらのZnO膜の厚みは50〜70μmであった。また、LPE成長法は比較的成長速度が高く、成長速度は4.2〜5.8μm/hrであった。したがって、α線や電子線の侵入深さに対応した50μm以上の厚みを容易に成長することが可能である。   Table 2 shows the results of growth time, LPE film thickness, and growth rate of the obtained non-doped or Ga-doped ZnO single crystal thin film. The thickness of these obtained ZnO films was 50 to 70 μm. The LPE growth method had a relatively high growth rate, and the growth rate was 4.2 to 5.8 μm / hr. Therefore, it is possible to easily grow a thickness of 50 μm or more corresponding to the penetration depth of α rays and electron beams.

また、表2には、得られたZnO膜を研磨した後の(002)面のロッキングカーブ半値幅(結晶性の評価)、α線励起時の450〜600nmの長波長発光の有無、およびシンチレータ特性の結果も示してある。研磨は、得られたZnO膜にラップとポリッシュを施し、表面を平坦化するとともにLPE膜厚を40μmとした。   Table 2 shows the (002) plane rocking curve half-width (evaluation of crystallinity) after polishing the obtained ZnO film, the presence or absence of long-wavelength light emission of 450 to 600 nm upon α-ray excitation, and the scintillator. The characteristic results are also shown. In the polishing, the obtained ZnO film was lapped and polished to flatten the surface and make the LPE film thickness 40 μm.

シンチレータ特性としては、α線励起透過スペクトル測定およびα線励起シンチレータ発光量測定を実施した。α線源として241Amを用いた。受光素子としてPMT(R7600:浜松ホトニクス製)を用い、研磨したLPE成長ZnO単結晶の5面をテフロン(登録商標)テープで覆い、シンチレーション光を1面のみから得られるようにした。その際、α線通過用に1mm角の窓を残した。シンチレーション光が出る面にPMTを設置し、PMTに高電圧をかけてシグナルを増幅して読み出しを行った。波高値はpre−ampで増幅し、Pulse shape ampで波形を整え、multi channel analyzerを経てコンピューターに信号として取得して発光量とし、BGOと比較した。 As the scintillator characteristics, α-ray excitation transmission spectrum measurement and α-ray excitation scintillator emission amount measurement were performed. 241 Am was used as the α-ray source. PMT (R7600: manufactured by Hamamatsu Photonics) was used as a light receiving element, and five surfaces of the polished LPE-grown ZnO single crystal were covered with Teflon (registered trademark) tape so that scintillation light could be obtained from only one surface. At that time, a 1 mm square window was left for passing α-rays. A PMT was installed on the surface where the scintillation light was emitted, and a high voltage was applied to the PMT to amplify the signal and read out. The crest value was amplified by pre-amp, the waveform was adjusted by Pulse shape amp, the signal was obtained as a signal through a multi channel analyzer and used as a signal, and compared with BGO.

実施例1〜6の結果から分かるように、熱平衡成長に近いLPE法を用いてノンドープまたはGaドープのZnO膜を成長させると、(002)面ロッキングカーブ半値幅は19〜60arcsecであった。実施例1〜6に係るZnO膜の半値幅は、基板として用いた水熱合成基板の半値幅(20arcsec)と大差がないことから、実施例1〜6に係るZnO膜は高い結晶性を有することが明らかとなった。   As can be seen from the results of Examples 1 to 6, when a non-doped or Ga-doped ZnO film was grown using an LPE method close to thermal equilibrium growth, the (002) plane rocking curve half width was 19 to 60 arcsec. Since the half width of the ZnO films according to Examples 1 to 6 is not significantly different from the half width (20 arcsec) of the hydrothermal synthesis substrate used as the substrate, the ZnO films according to Examples 1 to 6 have high crystallinity. It became clear.

また、図4〜図11に示すように、ノンドープ、あるいはGaをZnに対して29ppm〜2920ppmドープすることで、α線励起において長波長発光成分を低減できる。さらには、表2および図12に示すように、ノンドープまたはGaドープZnO単結晶の発光量は、ノンドープまたは29ppm〜585ppmの範囲のGaドープ量で、BGO比で16%以上となり、一般的なZnO系シンチレータの発光量である15%を越える。   Moreover, as shown in FIGS. 4-11, long wavelength light emission component can be reduced in alpha ray excitation by non-doping or doping Ga with 29 ppm-2920 ppm with respect to Zn. Furthermore, as shown in Table 2 and FIG. 12, the light emission amount of the non-doped or Ga-doped ZnO single crystal is 16% or more in terms of the BGO ratio with the Ga-doped amount in the range of 29 ppm to 585 ppm. Exceeds 15%, which is the amount of light emitted by the system scintillator.

実施例1〜6に係るノンドープまたはGaドープZnO単結晶は、α線および電子線による励起時の蛍光寿命が短い励起子発光のみが支配的となり、蛍光寿命が長い発光成分が低減され、放射線検出の弁別機能を安定化させることが可能となる。したがって、本実施例で得られたZnO単結晶シンチレータは、高速のα線や電子線検出器に応用が可能となる。一方、水熱合成基板はBGO並みの94%の発光量を有するが、長波長発光成分を含むため、放射線検出の弁別機能を安定化させることが困難である。   In the non-doped or Ga-doped ZnO single crystals according to Examples 1 to 6, only exciton luminescence with a short fluorescence lifetime upon excitation by α-rays and electron beams is dominant, and a luminescence component with a long fluorescence lifetime is reduced, thereby detecting radiation. It is possible to stabilize the discrimination function. Therefore, the ZnO single crystal scintillator obtained in this example can be applied to high-speed α-ray and electron beam detectors. On the other hand, the hydrothermal synthetic substrate has a light emission amount of 94%, which is the same as that of BGO.

<実施例7〜10>
表3に示す配合で、実施例1と同様の方法により、各元素ドープZnO単結晶のLPE成長を行った。得られた各種元素ZnO単結晶膜の物性を表4に示す。
<Examples 7 to 10>
LPE growth of each element-doped ZnO single crystal was performed by the same method as in Example 1 with the formulation shown in Table 3. Table 4 shows the physical properties of the obtained various element ZnO single crystal films.

実施例7〜10の結果から分かるように、熱平衡成長に近いLPE法を用いて各元素ドープのZnO膜を成長させると、(002)面ロッキングカーブ半値幅は22〜70arcsecであった。実施例7〜10に係るZnO膜の半値幅は、基板として用いた水熱合成基板の半値幅(20arcsec)と大差がないことから、実施例7〜10に係るZnO膜は高い結晶性を有することが明らかとなった。また、LPE成長法は比較的成長速度が高く、成長速度は2.9〜5.3μm/hrであった。したがって、α線や電子線の侵入深さに対応した50μm以上の厚みを容易に成長することが可能である。   As can be seen from the results of Examples 7 to 10, when a ZnO film doped with each element was grown using the LPE method close to thermal equilibrium growth, the (002) plane rocking curve half width was 22 to 70 arcsec. Since the half width of the ZnO films according to Examples 7 to 10 is not significantly different from the half width (20 arcsec) of the hydrothermal synthesis substrate used as the substrate, the ZnO films according to Examples 7 to 10 have high crystallinity. It became clear. The LPE growth method had a relatively high growth rate, and the growth rate was 2.9 to 5.3 μm / hr. Therefore, it is possible to easily grow a thickness of 50 μm or more corresponding to the penetration depth of α rays and electron beams.

また、実施例1〜6の結果と同様に、長波長発光成分がなく、α線励起シンチレータ光の発光量は何れも15%以上の38〜48%となった。本実施例で示すAl、InおよびランタノイドをドープしたZnO単結晶は、α線および電子線による励起時の蛍光寿命が短い励起子発光のみが支配的となり、蛍光寿命が長い発光成分が低減され、放射線検出の弁別機能を安定化させることが可能となる。したがって、本実施例で得られたZnO単結晶シンチレータは、高速のα線や電子線検出器に応用が可能となる。   Moreover, like the result of Examples 1-6, there was no long wavelength light emission component, and all emitted light quantity of alpha ray excitation scintillator light became 38-48% of 15% or more. In the ZnO single crystal doped with Al, In, and lanthanoid shown in this example, only exciton emission with a short fluorescence lifetime upon excitation by α-rays and electron beams is dominant, and a light emitting component with a long fluorescence lifetime is reduced. It becomes possible to stabilize the discrimination function of radiation detection. Therefore, the ZnO single crystal scintillator obtained in this example can be applied to high-speed α-ray and electron beam detectors.

1・・・上段ヒーター
2・・・中央部ヒーター
3・・・下段ヒーター
4・・・白金るつぼ
5・・・引上軸
6・・・基板ホルダー
7・・・基板
9・・・るつぼ台
11・・・炉心管
12・・・炉蓋
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Upper stage heater 2 ... Center part heater 3 ... Lower stage heater 4 ... Platinum crucible 5 ... Pulling up shaft 6 ... Substrate holder 7 ... Substrate 9 ... Crucible base 11 ... core tube 12 ... furnace lid

Claims (4)

溶質であるZnOと溶媒との混合・溶融物に、基板を直接接触させることによりZnO単結晶を成長させる液相エピタキシャル成長法により作製されることを特徴とする、励起子発光型ZnOシンチレータの製造方法。   A method for producing an exciton-emitting ZnO scintillator, characterized by being produced by a liquid phase epitaxial growth method in which a ZnO single crystal is grown by directly contacting a substrate with a mixture / melt of a solute ZnO and a solvent. . 溶質であるZnOと溶媒との混合・溶融物に、基板を直接接触させることによりZnO単結晶を成長させる液相エピタキシャル成長法において、ZnOに対し、Al、Ga、Inおよびランタノイド元素を585ppm以下ドープすることを特徴とする、励起子発光型ZnOシンチレータの製造方法。   In a liquid phase epitaxial growth method in which a ZnO single crystal is grown by bringing a substrate into direct contact with a mixture / melt of a solute ZnO and a solvent, ZnO is doped with 585 ppm or less of Al, Ga, In, and a lanthanoid element. A method for producing an exciton-emitting ZnO scintillator characterized by the above. 前記溶媒がPbF2およびPbOであり、溶質と溶媒との混合比が溶質:溶媒=2〜20mol%:98〜80mol%であり、溶媒であるPbF2とPbOとの混合比がPbF2:PbO=20〜80mol%:80〜20mol%である、請求項1または2に記載する励起子発光型ZnOシンチレータの製造方法。 The solvent is PbF 2 and PbO, the mixing ratio of the solute and the solvent is solute: solvent = 2 to 20 mol%: 98 to 80 mol%, and the mixing ratio of the solvent PbF 2 and PbO is PbF 2 : PbO = 20 to 80 mol%: The method for producing an exciton-emitting ZnO scintillator according to claim 1 or 2, wherein 80 to 20 mol%. 前記溶媒がPbOおよびBi23であり、溶質と溶媒との混合比が溶質:溶媒=5〜30mol%:95〜70mol%であり、溶媒であるPbOとBi23との混合比がPbO:Bi23=0.1〜95mol%:99.9〜5mol%である、請求項1または2に記載する励起子発光型ZnOシンチレータの製造方法。 The solvent is PbO and Bi 2 O 3 , and the mixing ratio of the solute and the solvent is solute: solvent = 5-30 mol%: 95-70 mol%, and the mixing ratio of PbO and Bi 2 O 3 as the solvent is PbO: Bi 2 O 3 = 0.1~95mol %: a 99.9~5mol%, the production method of the exciton emission type ZnO scintillator according to claim 1 or 2.
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