CN103605150B - 一种肖特基型中子探测器及其制作方法 - Google Patents

一种肖特基型中子探测器及其制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明一种肖特基型中子探测器及其制作方法，涉及中子辐射的测量，是氮化镓中子探测器，自下至上包括欧姆接触、n+掺杂氮化镓层、氮化镓厚膜基底、肖特基接触、保护环和6LiF中子转换层，其中，n+掺杂氮化镓层形成在氮化镓厚膜基底的氮极性面，欧姆接触被制作在n+掺杂氮化镓层上面，肖特基接触被制作在氮化镓厚膜基底的镓极性面上的中间部分，保护环被制作在氮化镓厚膜基底的镓极性面上肖特基接触四周的环形部分，6LiF中子转换层被制作在肖特基接触的上面，位于肖特基接触的中央部位。本发明克服了现有技术的中子探测器不能用于核反应堆、高能物理实验和外太空的高温、高压和强辐射极端环境中的缺陷。

Description

一种肖特基型中子探测器及其制作方法
技术领域
本发明的技术方案涉及中子辐射的测量，具体地说是一种肖特基型中子探测器及其制作方法。
背景技术
中子探测在核医学及临床诊断、核电站安全检测系统、环境检测系统、核爆及核材料探测、空间物理学、航天航空和工业技术等众多领域都有着极其广泛的应用。常见的中子探测器主要包括气体探测器、闪烁体探测器，由砷化镓或硅材料制成的半导体探测器。这几类探测器虽然已经实用化，但随着温度的升高和辐射强度的增大，其探测性能会急剧下降，因而不能用于核反应堆、高能物理实验和外太空的高温、高压和强辐射极端环境中。为了突破辐射监测领域中子探测器抗高温和耐辐照的瓶颈，迫切地需要可工作于上述恶劣环境的中子探测器。
氮化镓作为第三代宽禁带半导体材料的典型代表，具有化学性能稳定、禁带宽度大、击穿电场高、介电常数低、载流子饱和漂移速度高、耐腐蚀和抗辐射等一系列优点，其性能远远优于硅和砷化镓，是制备半导体辐射探测器的理想材料，也是强辐射环境下的首选材料。
当前基于氮化镓材料的探测器研究主要集中在光电探测领域，氮化镓核辐射探测器的研究仅处于起步阶段，相关报道很少见到，只有G.Wang et al.在Nuclear Instrumentsand Methods in Physics Research A 663(2012)10–13上报道了一种α离子探测器，截止目前还没有见到关于氮化镓中子探测器的相关文献报道。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种肖特基型中子探测器及其制作方法，是氮化镓中子探测器，克服了现有技术的中子探测器不能用于核反应堆、高能物理实验和外太空的高温、高压和强辐射极端环境中的缺陷。
本发明解决该技术问题所采用的技术方案是：一种肖特基型中子探测器，是氮化镓中子探测器，自下至上包括欧姆接触、n+掺杂氮化镓层、氮化镓厚膜基底、肖特基接触、保护环和6LiF中子转换层，其中，n+掺杂氮化镓层形成在氮化镓厚膜基底的氮极性面，欧姆接触被制作在n+掺杂氮化镓层下方面上，肖特基接触被制作在氮化镓厚膜基底的镓极性面上的中间部分，保护环被制作在氮化镓厚膜基底的镓极性面上肖特基接触四周的环形部分，6LiF中子转换层被制作在肖特基接触的上面，位于肖特基接触的中央部位。
上述一种肖特基型中子探测器，所述氮化镓厚膜基底的厚度为300um～400um，电阻率介于106Ω.cm～109Ω.cm之间。
上述一种肖特基型中子探测器，所述欧姆接触是厚度分别为10nm/200nm/20nm/300nm的Ti/Al/Ni/Au层。
上述一种肖特基型中子探测器，所述肖特基接触是厚度分别为20nm/300nm的Ni/Au层。
上述一种肖特基型中子探测器，所述保护环是厚度分别为20nm/300nm的Ni/Au层。
上述一种肖特基型中子探测器，所述肖特基接触和保护环之间的距离为50um～100um。
上述一种肖特基型中子探测器，所述6LiF中子转换层的厚度为2um～3um。
上述一种肖特基型中子探测器，所述的上下方位是就附图1所示的上下方位而言(下同)。
上述一种肖特基型中子探测器的制备方法，步骤是：
第一步，氮化镓厚膜基底的选定
选择用HVPE方法生长的氮化镓厚膜作为氮化镓厚膜基底，其厚度为300um～400um，电阻率介于106Ω.cm～109Ω.cm之间；
第二步，n+掺杂氮化镓层的形成
在第一步选定的氮化镓厚膜基底的氮极性面注入Si离子，注入温度是室温，能量是50kev～60kev，激活温度为1200℃，激活时间为100秒～150秒，Si掺杂浓度为1016cm-2～1017cm-2，由此形成n+掺杂氮化镓层；
第三步，欧姆接触的形成
在第二步形成的n+氮化镓层上依次蒸发Ti/Al/Ni/Au层，厚度分别为10nm/200nm/20nm/300nm，退火后形成欧姆接触；
第四步，肖特基接触和保护环的形成
在第一步选定的氮化镓厚膜基底的镓极性面，先光刻出肖特基接触区窗口和保护环窗口，再依次蒸发厚度分别为20nm/300nm的Ni/Au层，剥离后形成厚度分别为20nm/300nm的Ni/Au层的肖特基接触和厚度分别为20nm/300nm的Ni/Au层的保护环，肖特基接触和保护环之间的距离为50um～100um；
第五步，6LiF中子转换层的形成
在第四步完成之后，光刻打开6LiF中子转换层窗口，用磁控溅射方法沉积6LiF，厚度为2um～3um，由此形成厚度为2um～3um的6LiF中子转换层；
第六步，制成肖特基型中子探测器
将经第一步到第五步制成的器件再经钝化和封装后制成肖特基型中子探测器。
上述一种肖特基型中子探测器的制备方法，其中所用的原材料均通过商购获得，所用的工艺的操作方法均是本技术领域所公知的，HVPE方法的中文为氢化物气相外延方法。
本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明的显著进步和突出的实质性特点是：
(1)本发明一种肖特基型中子探测器的基本工作原理是：辐射场中的热中子与转换层中的Li发生Li(n，α)3H核反应，生成能量分别为2.73MeV和2.05MeV的高能氚核与α，这两种粒子进入氮化镓肖特基二极管的探测灵敏区，与氮化镓晶格作用，产生与带电粒子能量成正比的e-h对，在外加偏压作用下，电子发生定向运动，形成电流信号，经终端处理后，得到辐射场中子的相关信息。
(2)本发明充分利用了氮化镓材料的特征，探测灵敏度高，抗辐射能力强，稳定性好，可用于高温和强辐射的环境中，因而克服了现有技术的中子探测器不能用于核反应堆、高能物理实验和外太空的高温、高压和强辐射极端环境中的缺陷。
(3)本发明一种肖特基型中子探测器的制备方法，采用HVPE方法生长的衬底已剥离的半绝缘氮化镓厚膜为基底，该HVPE方法生长速度快，工艺成熟，成本低。
(4)在本发明一种肖特基型中子探测器的制备方法中，将欧姆接触和肖特基接触分别制作在氮化镓厚膜基底的两个不同极性面上，省去了深槽等离子刻蚀的工艺过程，简化了工艺流程，降低了制作成本。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1为本发明一种肖特基型中子探测器的剖面图。
图2为本发明一种肖特基型中子探测器的俯视图。
图中，1.氮化镓厚膜基底，2.n+掺杂氮化镓层，3.肖特基接触，4.保护环，5.欧姆接触，6.6LiF中子转换层。
具体实施方式
图1所示实施例表明，本发明一种肖特基型中子探测器由氮化镓厚膜基底1、n+掺杂氮化镓层2、欧姆接触5、肖特基接触3、保护环4和6LiF中子转换层6构成。其中，n+掺杂氮化镓层2形成在氮化镓厚膜基底1的氮极性面，欧姆接触5被制作在n+掺杂氮化镓层2下方面上，肖特基接触3被制作在氮化镓厚膜基底1的镓极性面上的中间部分，保护环4被制作在氮化镓厚膜基底1的镓极性面上的肖特基接触3四周的环形部分，6LiF中子转换层6被制作在肖特基接触3的上面。
图2所示实施例表明，本发明一种肖特基型中子探测器中的保护环4呈环状，保护环4内部有肖特基接触3，6LiF中子转换层6位于肖特基接触3的中央部位。
实施例1
第一步，氮化镓厚膜基底的选定
选择用HVPE方法生长的氮化镓厚膜作为氮化镓厚膜基底，其厚度为300um，电阻率介于106Ω.cm～109Ω.cm之间；
第二步，n+掺杂氮化镓层的形成
在第一步选定的氮化镓厚膜基底的氮极性面注入Si离子，注入温度是室温，能量是50kev，激活温度为1200℃，激活时间为100秒，Si掺杂浓度为1016cm-2，由此形成n+掺杂氮化镓层；
第三步，欧姆接触的形成
在第二步形成的n+氮化镓层上依次蒸发Ti/Al/Ni/Au，厚度分别为10nm/200nm/20nm/300nm，退火后形成欧姆接触；
第四步，肖特基接触和保护环的形成
在第一步选定的氮化镓厚膜基底的镓极性面，先光刻出肖特基接触区窗口和保护环窗口，再依次蒸发厚度分别为20nm/300nm的Ni/Au层，剥离后形成厚度分别为20nm/300nm的Ni/Au层的肖特基接触和厚度分别为20nm/300nm的Ni/Au层的保护环，肖特基接触和保护环之间的距离为50um；
第五步，6LiF中子转换层的形成
在第四步完成之后，光刻打开6LiF中子转换层层窗口，用磁控溅射方法沉积6LiF，厚度为2um，由此形成厚度为2um的6LiF中子转换层；
第六步，制成中子探测器
将经第一步到第五步制成的器件再经钝化和封装后制成肖特基型中子探测器。
本实施例制得的一种肖特基型中子探测器是氮化镓中子探测器，自下至上包括厚度分别为10nm/200nm/20nm/300nm的Ti/Al/Ni/Au层的欧姆接触5、n+掺杂氮化镓层2、厚度为300um和电阻率介于106Ω.cm～109Ω.cm之间的氮化镓厚膜基底1、厚度分别为20nm/300nm的Ni/Au层的肖特基接触3、厚度分别为20nm/300nm的Ni/Au层的保护环4和厚度为2um的6LiF中子转换层6。其中，n+掺杂氮化镓层2形成在氮化镓厚膜基底1的氮极性面，欧姆接触5被制作在n+掺杂氮化镓层2下方面上，肖特基接触3被制作在氮化镓厚膜基底1的镓极性面上的中间部分，保护环4被制作在氮化镓厚膜基底1的镓极性面上肖特基接触3四周的环形部分，肖特基接触3和保护环4之间的距离为50um，6LiF中子转换层6被制作在肖特基接触3的上面，位于肖特基接触3的中央部位。
实施例2
第一步，氮化镓厚膜基底的选定
选择用HVPE方法生长的氮化镓厚膜作为氮化镓厚膜基底，其厚度为350um，电阻率介于106Ω.cm～109Ω.cm之间；
第二步，n+掺杂氮化镓层的形成
在第一步选定的氮化镓厚膜基底的氮极性面注入Si离子，注入温度是室温，能量是55kev，激活温度为1200℃，激活时间为125秒，Si掺杂浓度为1016.5cm-2，由此形成n+掺杂氮化镓层；
第三步，欧姆接触的形成
在第二步形成的n+氮化镓层上依次蒸发Ti/Al/Ni/Au，厚度分别为10nm/200nm/20nm/300nm，退火后形成欧姆接触；
第四步，肖特基接触和保护环的形成
在第一步选定的氮化镓厚膜基底的镓极性面，先光刻出肖特基接触区窗口和保护环窗口，再依次蒸发厚度分别为20nm/300nm的Ni/Au层，剥离后形成厚度分别为20nm/300nm的Ni/Au层的肖特基接触和厚度分别为20nm/300nm的Ni/Au层的保护环，肖特基接触和保护环之间的距离为75um；
第五步，6LiF中子转换层的形成
在第四步完成之后，光刻打开6LiF中子转换层窗口，用磁控溅射方法沉积6LiF，厚度为2.5um，由此形成厚度为2.5um的6LiF中子转换层；
第六步，制成中子探测器
将经第一步到第五步制成的器件再经钝化和封装后制成肖特基型中子探测器。
本实施例制得的一种肖特基型中子探测器是氮化镓中子探测器，自下至上包括厚度分别为10nm/200nm/20nm/300nm的Ti/Al/Ni/Au层的欧姆接触5、n+掺杂氮化镓层2、厚度为350um和电阻率介于106Ω.cm～109Ω.cm之间的氮化镓厚膜基底1、厚度分别为20nm/300nm的Ni/Au层的肖特基接触3、厚度分别为20nm/300nm的Ni/Au层的保护环4和厚度为2.5um的6LiF中子转换层6。其中，n+掺杂氮化镓层2形成在氮化镓厚膜基底1的氮极性面，欧姆接触5被制作在n+掺杂氮化镓层2下方面上，肖特基接触3被制作在氮化镓厚膜基底1的镓极性面上的中间部分，保护环4被制作在氮化镓厚膜基底1的镓极性面上肖特基接触3四周的环形部分，肖特基接触3和保护环4之间的距离为75um，6LiF中子转换层6被制作在肖特基接触3的上面，位于肖特基接触3的中央部位。
实施例3
第一步，氮化镓厚膜基底的选定
选择用HVPE方法生长的氮化镓厚膜作为氮化镓厚膜基底，其厚度为400um，电阻率介于106Ω.cm～109Ω.cm之间；
第二步，n+掺杂氮化镓层的形成
在第一步选定的氮化镓厚膜基底的氮极性面注入Si离子，注入温度是室温，能量是60kev，激活温度为1200℃，激活时间为150秒，Si掺杂浓度为1017cm-2，由此形成n+掺杂氮化镓层；
第三步，欧姆接触的形成
在第二步形成的n+氮化镓层上依次蒸发Ti/Al/Ni/Au，厚度分别为10nm/200nm/20nm/300nm，退火后形成欧姆接触；
第四步，肖特基接触和保护环的形成
在第一步选定的氮化镓厚膜基底的镓极性面，先光刻出肖特基接触区窗口和保护环窗口，再依次厚度分别为20nm/300nm的蒸发Ni/Au层，剥离后形成厚度分别为20nm/300nm的Ni/Au层的肖特基接触和厚度分别为20nm/300nm的Ni/Au层的保护环，肖特基接触和保护环之间的距离为100um；
第五步，6LiF中子转换层的形成
在第四步完成之后，光刻打开6LiF中子转换层窗口，用磁控溅射方法沉积6LiF，厚度为3um，由此形成厚度为3um的6LiF中子转换层；
第六步，制成中子探测器
将经第一步到第五步制成的器件再经钝化和封装后制成肖特基型中子探测器。
本实施例制得的一种肖特基型中子探测器是氮化镓中子探测器，自下至上包括厚度分别为10nm/200nm/20nm/300nm的Ti/Al/Ni/Au层的欧姆接触5、n+掺杂氮化镓层2、厚度为400um和电阻率介于106Ω.cm～109Ω.cm之间的氮化镓厚膜基底1、厚度分别为20nm/300nm的Ni/Au层的肖特基接触3、厚度分别为20nm/300nm的Ni/Au层的保护环4和厚度为3um的6LiF中子转换层6。其中，n+掺杂氮化镓层2形成在氮化镓厚膜基底1的氮极性面，欧姆接触5被制作在n+掺杂氮化镓层2下方面上，肖特基接触3被制作在氮化镓厚膜基底1的镓极性面上的中间部分，保护环4被制作在氮化镓厚膜基底1的镓极性面上肖特基接触3四周的环形部分，肖特基接触3和保护环4之间的距离为100um，6LiF中子转换层6被制作在肖特基接触3的上面，位于肖特基接触3的中央部位。
上述实施例中所用的原材料均通过商购获得，所用的工艺的操作方法均是本技术领域所公知的。

Claims (5)

1.一种肖特基型中子探测器，其特征在于：是氮化镓中子探测器，自下至上包括欧姆接触、n+掺杂氮化镓层、氮化镓厚膜基底、肖特基接触、保护环和6LiF中子转换层，其中，n+掺杂氮化镓层形成在氮化镓厚膜基底的氮极性面，欧姆接触被制作在n+掺杂氮化镓层的下方面上，肖特基接触被制作在氮化镓厚膜基底的镓极性面上的中间部分，保护环被制作在氮化镓厚膜基底的镓极性面上肖特基接触四周的环形部分，6LiF中子转换层被制作在肖特基接触的上面，位于肖特基接触的中央部位，所述氮化镓厚膜基底的厚度为300um～400um，电阻率介于106Ω.cm～109Ω.cm之间，所述肖特基接触和保护环之间的距离为50um～100um。
2.根据权利要求1所述一种肖特基型中子探测器，其特征在于：所述欧姆接触是厚度分别为10nm/200nm/20nm/300nm的Ti/Al/Ni/Au层。
3.根据权利要求1所述一种肖特基型中子探测器，其特征在于：所述肖特基接触是厚度分别为20nm/300nm的Ni/Au层。
4.根据权利要求1所述一种肖特基型中子探测器，其特征在于：所述保护环是厚度分别为20nm/300nm的Ni/Au层。
5.权利要求所述一种肖特基型中子探测器的制备方法，其特征在于步骤是：
第一步，氮化镓厚膜基底的选定：
选择用HVPE方法生长的氮化镓厚膜作为氮化镓厚膜基底，其厚度为300um～400um，电阻率介于106Ω.cm～109Ω.cm之间；
第二步，n+掺杂氮化镓层的形成：
在第一步选定的氮化镓厚膜基底的氮极性面注入Si离子，注入温度是室温，能量是50kev～60kev，激活温度为1200℃，激活时间为100秒～150秒，Si掺杂浓度为1016cm-2～1017cm-2，由此形成n+掺杂氮化镓层；
第三步，欧姆接触的形成：
在第二步形成的n+氮化镓层上依次蒸发Ti/Al/Ni/Au层，厚度分别为10nm/200nm/20nm/300nm，退火后形成欧姆接触；
第四步，肖特基接触和保护环的形成：
在第一步选定的氮化镓厚膜基底的镓极性面，先光刻出肖特基接触区窗口和保护环窗口，再依次蒸发厚度分别为20nm/300nm的Ni/Au层，剥离后形成厚度分别为20nm/300nm的Ni/Au层的肖特基接触和厚度分别为20nm/300nm的Ni/Au层的保护环，肖特基接触和保护环之间的距离为50um～100um；
第五步，6LiF中子转换层的形成：
在第四步完成之后，光刻打开6LiF中子转换层窗口，用磁控溅射方法沉积6LiF，厚度为2um～3um，由此形成厚度为2um～3um的6LiF中子转换层；
第六步，制成肖特基型中子探测器
将经第一步到第五步制成的器件经钝化和封装后制成肖特基型中子探测器。
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