一種pin型室溫核輻射探測器及其製備方法

2023-05-20 10:44:36

專利名稱：一種pin型室溫核輻射探測器及其製備方法
技術領域：
本發明涉及一種核輻射探測器及其製備方法，具體涉及一種PIN型室溫 核輻射探測器及其製備方法。
背景技術：
室溫核輻射探測器是繼氣體探測器、閃爍體探測器之後發展起來的一類 新型探測器，具有室溫靈敏度高、噪聲低、響應光譜寬、脈衝時間短、探測 效率髙、抗輻照損傷能力強、穩定性髙等優點，在環境監測、核醫學、工業 無損檢測、安全檢查、核武器突防、航空航天、天體物理和高能物理等領域 具有廣泛的用途，已經成為現代髙科技領域的前沿研究熱點之一。然而，由於室溫核輻射探測器要求在室溫下工作，且對能量解析度和探 測效率要求較髙，所以對製備探測器的材料也提出了很髙的要求。 一般認為 必須滿足如下要求①較髙的原子序數，確保對Y射線有較髙的阻止本領， 從而保證探測器具有較髙的探測效率；②較大的禁帶寬度，保證探測器在室 溫下工作時，具有較高的電阻率和較低的漏電流；③良好的工藝性能，容易 製得純度髙、完整性好的單晶體，同時具有優良的機械性能和化學穩定性， 便於進行機械加工，容易製作成勢壘接觸或歐姆接觸；④優異的物理性能， 能耐較髙的反向偏壓，反向漏電流小，正向電流也小，同時材料中載流子的 遷移率-壽命積要大，確保探測器具有良好的能量解析度。此外，這些半導體 材料在其單晶生長、晶體加工上也應有較為成熟的工藝，因此，符合上述要求的材料很少。目前，研究最多的是CdZnTe(CZT)室溫核輻射探測器，美國、俄羅斯等 國都已將CZT晶體材料及其探測器商業化，然而，該晶體材料存在如下問 題①由於CZT晶體材料的熱傳導率極低、其堆垛缺陷形成能較小，使其 在晶體生長過程中，溫度波動等因素極易引起孿晶的出現②由於其臨界切 應力低，極易產生位錯；③其組成元素中，Cd的蒸氣分壓較其它兩種組分 的蒸氣分壓高得多，易造成熔體富Te;④在其晶體生長的降溫過程中，髙溫下存在的固溶區其寬度在室溫時將收縮至"0"，容易形成Te沉澱/夾雜，從 而影響材料性能；因此，製備高質量的CZT晶體及其探測器是比較困難的， 其成本也非常昂貴。現今作為第三代半導體材料代表的GaN及其多元合金材料，因其獨特而 優異的光學和電學性能，備受學術界和工業界的關注和青睞，特別在光電子 (如發給二極體LED和雷射二極體)和微電子(高電子遷移率電晶體HEMT) 領域的研究和應用尤其活躍，是當今半導體界的國際焦點。在探測器領域，GaN基材料也逐漸成為紫外探測器、特別是太陽光盲紫 外探測器的研究熱點。例如，《半導體學報》第25巻第6期第711頁至714 頁的"GaN基肖特基結構紫外探測器" 一文，即公開了一種GaN基的紫外 探測器，由生長在藍寶石襯底上的20納米的GaN緩衝層、1微米的ii型GaN 外延層和0.6微米的本徵GaN外延層構成，表面製備肖特基電極，並通過光 刻在n型GaN外延層上製備歐姆電極，具有良好的紫外探測性能。由於GaN 具有寬帶隙、強共價鍵結合、髙熔點、髙擊穿電場、抗腐蝕、抗輻射等優良 性能，因此發明人認為其可以作為室溫核輻射探測器半導體材料，解決現有 CZT室溫核輻射探測器存在的問題。然而，現有的GaN紫外探測器厚度只 有1 2微米，並不適用於室溫核輻射探測。另一方面，現有技術中，在製備探測器時，採用的是單向生長工藝，採 用多步光刻的方式製備接觸電極，因而製備工藝比較複雜，這也同時增加了 探測器的製作成本。發明內容本發明目的是提供一種PIN型室溫核輻射探測器及其製備方法，獲得的 探測器應當具有良好的室溫靈敏度、探測效率和穩定性，同時，簡化製備工 藝，降低成本。為達到上述目的，本發明採用的技術方案是 一種PIN型室溫核輻射探 測器，包括GaN襯底、n型摻雜層、p型摻雜層和兩個接觸電極，所述GaN 襯底為厚膜結構，其厚度為100um 200iim，所述n型摻雜層為摻雜矽的 GaN薄膜，製作在所述GaN襯底的一面，所述p型摻雜層為摻雜鎂的GaN薄膜，製作在GaN襯底的另一面，兩個接觸電極分別製作在n型摻雜層和p 型摻雜層的外表面。上述技術方案中，所述GaN襯底GaN單晶厚膜，其電阻率為106 109Q.cm，位錯密度小於IOW2。上述技術方案中，與n型摻雜層相連的接觸電極是在n型摻雜層外表面 沉積10nm 30nm的Ti/Au而成的，與p型摻雜層相連的接觸電極是在p型 摻雜層外表面沉積10nm 30nm的Ni/Au而成的。上述技術方案中，所述ii型摻雜層的厚度為lum 3iim，所述p型摻雜 層的厚度為lum 3um。所述PIN型室溫核輻射探測器的製備方法，包括如下步驟1) 採用MOCVD法，在藍寶石襯底上生長GaN薄膜，薄膜厚度為lum 4ums2) 將上述GaN薄膜作為新的襯底，生長GaN單晶厚膜，厚度為100um 200um,生長結束時，進行降溫，使GaN單晶厚膜從襯底上分離，得到GaN 單晶厚膜襯底3) 在上述GaN單晶厚膜襯底的一面生長n-GaN(Si)薄膜，Si離子摻雜 濃度為5xl018/Cm2 5xl019/Cm3，形成n型摻雜層，厚度為lum 3um;翻 轉上述襯底，在襯底的另一面生長p-GaN(Mg)薄膜，Mg離子摻雜濃度為 5xl018/cm2 5xl019/cm3,形成p型摻雜層，厚度為lum 3um;4) 在上述n型摻雜層上沉積10nm 30nm的Ti/Au,在上述p型摻雜 層上沉積10nm 30nm的Ni/Au,製成歐姆接觸電極；5) 經鈍化、封裝後製成PIN型GaN室溫核輻射探測器。 與之相應的另一種製備方法，包括如下步驟1) 採用MOCVD法，在藍寶石襯底上生長GaN薄膜，薄膜厚度為lum 4um:2) 將上述GaN薄膜作為新的襯底，生長GaN單晶厚膜，厚度為100um 200um,生長結束時，進行降溫，使GaN單晶厚膜從襯底上分離，得到GaN 單晶厚膜襯底；3) 在上述GaN單晶厚膜襯底的一面注入Si離子，其注入離子濃度為5xl018/cm2 5xl019/cm3，形成n型摻雜層，厚度為lum 3um;翻轉上述襯 底，在襯底的另一面注入Mg離子，其注入離子濃度為5xl018/cm2 5xl019/cm3,形成P型摻雜層，厚度為lum 3um;4) 在上述n型摻雜層上沉積10nm 30nin的Ti/Au，在上述p型摻雜 層上沉積10nm 30nm的Ni/Au，製成歐姆接觸電極；5) 經鈍化、封裝後製成PIN型GaN室溫核輻射探測器。 由於上述技術方案的使用，本發明與現有技術相比，具有下列優點-1. 由於本發明採用的GaN厚膜厚度有100um 200um,適應於核輻射 能量較大的情形，GaN材料具有髙電阻率、大原子序數、強共價鍵結合、高 熔點、髙擊穿電場、抗腐蝕、抗輻射等優良性能，因此，用其製備的室溫核 輻射探測器具有良好的室溫靈敏度、探測效率和穩定性，更適用於強輻射場 的探測領域；2. 本發明採用厚膜，可以脫離藍寶石襯底，將電極分別製作在探測器 兩面，因而省去了套刻光刻工藝，生長方法新穎，製作工藝簡單；3. 由於本發明使用的GaN材料具有良好的機械性能和化學穩定性，其 材料生長工藝較為成熟，易製備得到髙質量的GaN晶體材料。4. 本發明的GaN材料具有更寬的禁帶寬度(GaN為3.39， CZT為1.5)， 因此由其製備的室溫核輻射探測器不需要通過降溫來減少熱噪聲，可以真正 實現室溫工作。


附圖1是本發明實施例一的層次結構示意圖。其中1、 GaN襯底；2、 n型摻雜層；3、 p型摻雜層；4、 n型歐姆接 觸電極；5、 p型歐姆接觸電極。
具體實施方式
下面結合實施例對本發明作進一步描述實施例一參見附圖l所示，一種PIN型GaN室溫核輻射探測器，包 括GaN襯底1、 n型摻雜層2、 p型摻雜層3和兩個接觸電極4、 5,所述n 型摻雜層2製作在所述GaN襯底1的一面，所述p型摻雜層3製作在GaN襯底1的另一面，接觸電極4和5分別製作在n型和p型摻雜層的外側表面 上。所述GaN襯底1是GaN單晶厚膜，其厚度為100 200um,電阻率為 106 109Q.cm，位錯密度小於10、m人所述n型摻雜層2的厚度為2um,所 述p型摻雜層3的厚度為2um。本實施例的PIN型GaN室溫核輻射探測器的製備方法，包括如下步驟1) 採用MOCVD外延方法在藍寶石襯底上生長厚度為3um的GaN薄膜， 獲得髙結晶品質的光滑表面GaN薄膜；2) 將上述GaN薄膜作為新的襯底，使用HVPE外延方法生長GaN單 晶厚膜，厚度為100 200um;3) 將上述GaN單晶厚膜作為新的襯底，在襯底的一面生長n-GaN(Si) 薄膜，形成n型摻雜層，厚度為2um;在上述襯底的另一面生長p-GaN(Mg) 薄膜，形成P型摻雜層，厚度為2um;4) 在上述n型摻雜層上沉積10/30nm的Ti/Au,在上述P型摻雜層上沉 積10/30nm的Ni/Au，製成接觸電極；5) 經鈍化、封裝後製成PIN型GaN室溫核輻射探測器。實施例二 一種PIN型GaN室溫核輻射探測器的製備方法，包括如下 步驟1) 採用MOCVD外延方法在藍寶石襯底上生長厚度為3nm的GaN薄膜， 獲得髙結晶品質的光滑表面GaN薄膜；2) 將上述GaN薄膜作為新的襯底，使用HVPE外延方法生長GaN單 晶厚膜，厚度為100 200um;3) 在上述GaN單晶厚膜襯底的一面注入Si離子，其注入離子濃度為 5xl018/Cm2 5xl019/cm3,形成n型摻雜層，厚度為liim;翻轉上述襯底， 在襯底的另一面注入Mg離子，其注入離子濃度為5xl018/cm2 5xl019/Cm3, 形成P型摻雜層，厚度為lum;4) 在上述n型摻雜層上沉積10nm/20nm的Ti/Au，在上述p型摻雜層 上沉積10nm/20nm的Ni/Au，製成接觸電極；5) 經鈍化、封裝後製成PIN型GaN室溫核輻射探測器。
權利要求
1.一種PIN型室溫核輻射探測器，包括GaN襯底、n型摻雜層、p型摻雜層和兩個接觸電極，其特徵在於所述GaN襯底為厚膜結構，其厚度為100um～200um，所述n型摻雜層為摻雜矽的GaN薄膜，製作在所述GaN襯底的一面，所述p型摻雜層為摻雜鎂的GaN薄膜，製作在GaN襯底的另一面，兩個接觸電極分別製作在n型摻雜層和p型摻雜層的外表面。
2. 根據權利要求1所述的PIN型室溫核輻射探測器，其特徵在於所 述GaN襯底GaN單晶厚膜，其電阻率為106 109ftwm,位錯密度小於ioW2。
3. 根據權利要求1所述的PIN型室溫核輻射探測器，其特徵在於與11 型摻雜層相連的接觸電極是在n型摻雜層外表面沉積10nm 30nm的Ti/Au 而成的，與p型摻雜層相連的接觸電極是在p型摻雜層外表面沉積10nm 30nm的Ni/Au而成的。
4. 根據權利要求1所述的PIN型室溫核輻射探測器，其特徵在於所 述n型摻雜層的厚度為lum 3um，所述p型摻雜層的厚度為lum 3um。
5. —種PIN型室溫核輻射探測器的製備方法，其特徵在於包括如下 步驟1) 採用MOCVD法，在藍寶石襯底上生長GaN薄膜，薄膜厚度為lum 4um;2) 將上述GaN薄膜作為新的襯底，生長GaN單晶厚膜，厚度為100um 200um,生長結束時，進行降溫，使GaN單晶厚膜從襯底上分離，得到GaN 單晶厚膜襯底3) 在上述GaN單晶厚膜襯底的一面生長n-GaN(Si)薄膜，Si離子摻雜 濃度為5xl017/cm2 5xl019/cm3，形成n型摻雜層，厚度為lum 3nm;翻 轉上述襯底，在襯底的另一面生長p-GaN(Mg)薄膜，Mg離子摻雜濃度為 5xl017/cm2 5xl019/cm3,形成p型摻雜層，厚度為lum 3um;4) 在上述n型摻雜層上沉積10nm 30nm的Ti/Au，在上述p型摻雜 層上沉積10nm 30nm的Ni/Au，製成歐姆接觸電極5) 經鈍化、封裝後製成PIN型GaN室溫核輻射探測器。
6. —種PIN型室溫核輻射探測器的製備方法，其特徵在於包括如下 步驟1) 採用MOCVD法，在藍寶石襯底上生長GaN薄膜，薄膜厚度為lum 4um s 2) 將上述GaN薄膜作為新的襯底，生長GaN單晶厚膜，厚度為100um 200um,生長結束時，進行降溫，使GaN單晶厚膜從襯底上分離，得到GaN 單晶厚膜襯底； 3) 在上述GaN單晶厚膜襯底的一面注入Si離子，其注入離子濃度為 5xl017/cm2 5xl019/Cm3，形成n型摻雜層，厚度為lum 3um;翻轉上述襯 底，在襯底的另一面注入Mg離子，其注入離子濃度為5xl017/Cm2 5xl019/Cm3，形成P型摻雜層，厚度為lum 3um: 4) 在上述n型摻雜層上沉積10nm 30nm的Ti/Au，在上述p型摻雜層上沉積10nm 30nm的Ni/Au,製成歐姆接觸電極； 5) 經鈍化、封裝後製成PIN型GaN室溫核輻射探測器。
全文摘要
本發明公開了一種PIN型室溫核輻射探測器，包括GaN襯底、n型摻雜層、p型摻雜層和兩個接觸電極，其特徵在於所述GaN襯底為厚膜結構，其厚度為100um～200um，所述n型摻雜層為摻雜矽的GaN薄膜，製作在所述GaN襯底的一面，所述p型摻雜層為摻雜鎂的GaN薄膜，製作在GaN襯底的另一面，兩個接觸電極分別製作在n型摻雜層和p型摻雜層的外表面。本發明的室溫核輻射探測器具有良好的室溫靈敏度、探測效率和穩定性，更適用於強輻射場的探測領域；同時，本發明的製造工藝簡單，成本低廉，適於工業化推廣。
文檔編號H01L31/18GK101241947SQ20081001983
公開日2008年8月13日 申請日期2008年3月18日 優先權日2008年3月18日
發明者敏 陸 申請人:蘇州納米技術與納米仿生研究所