CN101241947A - 一种pin型室温核辐射探测器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种PIN型室温核辐射探测器，包括GaN衬底、n型掺杂层、p型掺杂层和两个接触电极，其特征在于：所述GaN衬底为厚膜结构，其厚度为100um～200um，所述n型掺杂层为掺杂硅的GaN薄膜，制作在所述GaN衬底的一面，所述p型掺杂层为掺杂镁的GaN薄膜，制作在GaN衬底的另一面，两个接触电极分别制作在n型掺杂层和p型掺杂层的外表面。本发明的室温核辐射探测器具有良好的室温灵敏度、探测效率和稳定性，更适用于强辐射场的探测领域；同时，本发明的制造工艺简单，成本低廉，适于工业化推广。

Description

一种PIN型室温核辐射探测器及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种核辐射探测器及其制备方法，具体涉及一种PIN型室温核辐射探测器及其制备方法。

背景技术

室温核辐射探测器是继气体探测器、闪烁体探测器之后发展起来的一类新型探测器，具有室温灵敏度高、噪声低、响应光谱宽、脉冲时间短、探测效率高、抗辐照损伤能力强、稳定性高等优点，在环境监测、核医学、工业无损检测、安全检查、核武器突防、航空航天、天体物理和高能物理等领域具有广泛的用途，已经成为现代高科技领域的前沿研究热点之一。

然而，由于室温核辐射探测器要求在室温下工作，且对能量分辨率和探测效率要求较高，所以对制备探测器的材料也提出了很高的要求。一般认为必须满足如下要求：①较高的原子序数，确保对γ射线有较高的阻止本领，从而保证探测器具有较高的探测效率；②较大的禁带宽度，保证探测器在室温下工作时，具有较高的电阻率和较低的漏电流；③良好的工艺性能，容易制得纯度高、完整性好的单晶体，同时具有优良的机械性能和化学稳定性，便于进行机械加工，容易制作成势垒接触或欧姆接触；④优异的物理性能，能耐较高的反向偏压，反向漏电流小，正向电流也小，同时材料中载流子的迁移率-寿命积要大，确保探测器具有良好的能量分辨率。此外，这些半导体材料在其单晶生长、晶体加工上也应有较为成熟的工艺，因此，符合上述要求的材料很少。

目前，研究最多的是CdZnTe(CZT)室温核辐射探测器，美国、俄罗斯等国都已将CZT晶体材料及其探测器商业化，然而，该晶体材料存在如下问题：①由于CZT晶体材料的热传导率极低、其堆垛缺陷形成能较小，使其在晶体生长过程中，温度波动等因素极易引起孪晶的出现；②由于其临界切应力低，极易产生位错；③其组成元素中，Cd的蒸气分压较其它两种组分的蒸气分压高得多，易造成熔体富Te；④在其晶体生长的降温过程中，高温下存在的固溶区其宽度在室温时将收缩至“0”，容易形成Te沉淀/夹杂，从而影响材料性能；因此，制备高质量的CZT晶体及其探测器是比较困难的，其成本也非常昂贵。

现今作为第三代半导体材料代表的GaN及其多元合金材料，因其独特而优异的光学和电学性能，备受学术界和工业界的关注和青睐，特别在光电子(如发给二极管LED和激光二极管)和微电子(高电子迁移率晶体管HEMT)领域的研究和应用尤其活跃，是当今半导体界的国际焦点。

在探测器领域，GaN基材料也逐渐成为紫外探测器、特别是太阳光盲紫外探测器的研究热点。例如，《半导体学报》第25卷第6期第711页至714页的“GaN基肖特基结构紫外探测器”一文，即公开了一种GaN基的紫外探测器，由生长在蓝宝石衬底上的20纳米的GaN缓冲层、1微米的n型GaN外延层和0.6微米的本征GaN外延层构成，表面制备肖特基电极，并通过光刻在n型GaN外延层上制备欧姆电极，具有良好的紫外探测性能。由于GaN具有宽带隙、强共价键结合、高熔点、高击穿电场、抗腐蚀、抗辐射等优良性能，因此发明人认为其可以作为室温核辐射探测器半导体材料，解决现有CZT室温核辐射探测器存在的问题。然而，现有的GaN紫外探测器厚度只有1～2微米，并不适用于室温核辐射探测。

另一方面，现有技术中，在制备探测器时，采用的是单向生长工艺，采用多步光刻的方式制备接触电极，因而制备工艺比较复杂，这也同时增加了探测器的制作成本。

发明内容

本发明目的是提供一种PIN型室温核辐射探测器及其制备方法，获得的探测器应当具有良好的室温灵敏度、探测效率和稳定性，同时，简化制备工艺，降低成本。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种PIN型室温核辐射探测器，包括GaN衬底、n型掺杂层、p型掺杂层和两个接触电极，所述GaN衬底为厚膜结构，其厚度为100um～200um，所述n型掺杂层为掺杂硅的GaN薄膜，制作在所述GaN衬底的一面，所述p型掺杂层为掺杂镁的GaN薄膜，制作在GaN衬底的另一面，两个接触电极分别制作在n型掺杂层和p型掺杂层的外表面。

上述技术方案中，所述GaN衬底GaN单晶厚膜，其电阻率为10⁶～10⁹Ω·cm，位错密度小于10⁶cm^-2。

上述技术方案中，与n型掺杂层相连的接触电极是在n型掺杂层外表面沉积10nm～30nm的Ti/Au而成的，与p型掺杂层相连的接触电极是在p型掺杂层外表面沉积10nm～30nm的Ni/Au而成的。

上述技术方案中，所述n型掺杂层的厚度为1um～3um，所述p型掺杂层的厚度为1um～3um。

所述PIN型室温核辐射探测器的制备方法，包括如下步骤：

1)采用MOCVD法，在蓝宝石衬底上生长GaN薄膜，薄膜厚度为1um～4um；

2)将上述GaN薄膜作为新的衬底，生长GaN单晶厚膜，厚度为100um～200um，生长结束时，进行降温，使GaN单晶厚膜从衬底上分离，得到GaN单晶厚膜衬底；

3)在上述GaN单晶厚膜衬底的一面生长n-GaN(Si)薄膜，Si离子掺杂浓度为5×10¹⁸/cm²～5×10¹⁹/cm³，形成n型掺杂层，厚度为1um～3um；翻转上述衬底，在衬底的另一面生长p-GaN(Mg)薄膜，Mg离子掺杂浓度为5×10¹⁸/cm²～5×10¹⁹/cm³，形成p型掺杂层，厚度为1um～3um；

4)在上述n型掺杂层上沉积10nm～30nm的Ti/Au，在上述p型掺杂层上沉积10nm～30nm的Ni/Au，制成欧姆接触电极；

5)经钝化、封装后制成PIN型GaN室温核辐射探测器。

与之相应的另一种制备方法，包括如下步骤：

1)采用MOCVD法，在蓝宝石衬底上生长GaN薄膜，薄膜厚度为1um～4um；

2)将上述GaN薄膜作为新的衬底，生长GaN单晶厚膜，厚度为100um～200um，生长结束时，进行降温，使GaN单晶厚膜从衬底上分离，得到GaN单晶厚膜衬底；

3)在上述GaN单晶厚膜衬底的一面注入Si离子，其注入离子浓度为5×10¹⁸/cm²～5×10¹⁹/cm³，形成n型掺杂层，厚度为1um～3um；翻转上述衬底，在衬底的另一面注Mg离子，其注入离子浓度为5×10¹⁸/cm²～5×10¹⁹/cm³，形成P型掺杂层，厚度为1um～3um；

4)在上述n型掺杂层上沉积10nm～30nm的Ti/Au，在上述p型掺杂层上沉积10nm～30nm的Ni/Au，制成欧姆接触电极；

5)经钝化、封装后制成PIN型GaN室温核辐射探测器。

由于上述技术方案的使用，本发明与现有技术相比，具有下列优点：

1.由于本发明采用的GaN厚膜厚度有100um～200um，适应于核辐射能量较大的情形，GaN材料具有高电阻率、大原子序数、强共价键结合、高熔点、高击穿电场、抗腐蚀、抗辐射等优良性能，因此，用其制备的室温核辐射探测器具有良好的室温灵敏度、探测效率和稳定性，更适用于强辐射场的探测领域；

2.本发明采用厚膜，可以脱离蓝宝石衬底，将电极分别制作在探测器两面，因而省去了套刻光刻工艺，生长方法新颖，制作工艺简单；

3.由于本发明使用的GaN材料具有良好的机械性能和化学稳定性，其材料生长工艺较为成熟，易制备得到高质量的GaN晶体材料。

4.本发明的GaN材料具有更宽的禁带宽度(GaN为3.39，CZT为1.5)，因此由其制备的室温核辐射探测器不需要通过降温来减少热噪声，可以真正实现室温工作。

附图说明

附图1是本发明实施例一的层次结构示意图。

其中：1、GaN衬底；2、n型掺杂层；3、p型掺杂层；4、n型欧姆接触电极；5、p型欧姆接触电极。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步描述：

实施例一：参见附图1所示，一种PIN型GaN室温核辐射探测器，包括GaN衬底1、n型掺杂层2、p型掺杂层3和两个接触电极4、5，所述n型掺杂层2制作在所述GaN衬底1的一面，所述p型掺杂层3制作在GaN衬底1的另一面，接触电极4和5分别制作在n型和p型掺杂层的外侧表面上。所述GaN衬底1是GaN单晶厚膜，其厚度为100～200um，电阻率为10⁶～10⁹Ω·cm，位错密度小于10⁶cm^-2；所述n型掺杂层2的厚度为2um，所述p型掺杂层3的厚度为2um。

本实施例的PIN型GaN室温核辐射探测器的制备方法，包括如下步骤：

1)采用MOCVD外延方法在蓝宝石衬底上生长厚度为3um的GaN薄膜，获得高结晶品质的光滑表面GaN薄膜；

2)将上述GaN薄膜作为新的衬底，使用HVPE外延方法生长GaN单晶厚膜，厚度为100～200um；

3)将上述GaN单晶厚膜作为新的衬底，在衬底的一面生长n-GaN(Si)薄膜，形成n型掺杂层，厚度为2um；在上述衬底的另一面生长p-GaN(Mg)薄膜，形成p型掺杂层，厚度为2um；

4)在上述n型掺杂层上沉积10/30nm的Ti/Au，在上述P型掺杂层上沉积10/30nm的Ni/Au，制成接触电极；

5)经钝化、封装后制成PIN型GaN室温核辐射探测器。

实施例二：一种PIN型GaN室温核辐射探测器的制备方法，包括如下步骤：

1)采用MOCVD外延方法在蓝宝石衬底上生长厚度为3um的GaN薄膜，获得高结晶品质的光滑表面GaN薄膜；

2)将上述GaN薄膜作为新的衬底，使用HVPE外延方法生长GaN单晶厚膜，厚度为100～200um；

3)在上述GaN单晶厚膜衬底的一面注入Si离子，其注入离子浓度为5×10¹⁸/cm²～5×10¹⁹/cm³，形成n型掺杂层，厚度为1um；翻转上述衬底，在衬底的另一面注入Mg离子，其注入离子浓度为5×10¹⁸/cm²～5×10¹⁹/cm³，形成P型掺杂层，厚度为1um；

4)在上述n型掺杂层上沉积10nm/20nm的Ti/Au，在上述p型掺杂层上沉积10nm/20nm的Ni/Au，制成接触电极；

5)经钝化、封装后制成PIN型GaN室温核辐射探测器。

Claims (6)

1.一种PIN型室温核辐射探测器，包括GaN衬底、n型掺杂层、p型掺杂层和两个接触电极，其特征在于：所述GaN衬底为厚膜结构，其厚度为100um～200um，所述n型掺杂层为掺杂硅的GaN薄膜，制作在所述GaN衬底的一面，所述p型掺杂层为掺杂镁的GaN薄膜，制作在GaN衬底的另一面，两个接触电极分别制作在n型掺杂层和p型掺杂层的外表面。

2.根据权利要求1所述的PIN型室温核辐射探测器，其特征在于：所述GaN衬底GaN单晶厚膜，其电阻率为10⁶～10⁹Ω·cm，位错密度小于10⁶cm^-2。

3.根据权利要求1所述的PIN型室温核辐射探测器，其特征在于：与n型掺杂层相连的接触电极是在n型掺杂层外表面沉积10nm～30nm的Ti/Au而成的，与p型掺杂层相连的接触电极是在p型掺杂层外表面沉积10nm～30nm的Ni/Au而成的。

4.根据权利要求1所述的PIN型室温核辐射探测器，其特征在于：所述n型掺杂层的厚度为1um～3um，所述p型掺杂层的厚度为1um～3um。

5.一种PIN型室温核辐射探测器的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)采用MOCVD法，在蓝宝石衬底上生长GaN薄膜，薄膜厚度为1um～4um；

2)将上述GaN薄膜作为新的衬底，生长GaN单晶厚膜，厚度为100um～200um，生长结束时，进行降温，使GaN单晶厚膜从衬底上分离，得到GaN单晶厚膜衬底；

3)在上述GaN单晶厚膜衬底的一面生长n-GaN(Si)薄膜，Si离子掺杂浓度为5×10¹⁷/cm²～5×10¹⁹/cm³，形成n型掺杂层，厚度为1um～3um；翻转上述衬底，在衬底的另一面生长p-GaN(Mg)薄膜，Mg离子掺杂浓度为5×10¹⁷/cm²～5×10¹⁹/cm³，形成p型掺杂层，厚度为1um～3um；

4)在上述n型掺杂层上沉积10nm～30nm的Ti/Au，在上述p型掺杂层上沉积10nm～30nm的Ni/Au，制成欧姆接触电极；

5)经钝化、封装后制成PIN型GaN室温核辐射探测器。

6.一种PIN型室温核辐射探测器的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)采用MOCVD法，在蓝宝石衬底上生长GaN薄膜，薄膜厚度为1um～4um；

2)将上述GaN薄膜作为新的衬底，生长GaN单晶厚膜，厚度为100um～200um，生长结束时，进行降温，使GaN单晶厚膜从衬底上分离，得到GaN单晶厚膜衬底；

3)在上述GaN单晶厚膜衬底的一面注入Si离子，其注入离子浓度为5×10¹⁷/cm²～5×10¹⁹/cm³，形成n型掺杂层，厚度为1um～3um；翻转上述衬底，在衬底的另一面注入Mg离子，其注入离子浓度为5×10¹⁷/cm²～5×10¹⁹/cm³，形成P型掺杂层，厚度为1um～3um；

4)在上述n型掺杂层上沉积10nm～30nm的Ti/Au，在上述p型掺杂层上沉积10nm～30nm的Ni/Au，制成欧姆接触电极；

5)经钝化、封装后制成PIN型GaN室温核辐射探测器。

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