CN105158791A - 基于ZnO薄膜的集成式中子探测器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于ZnO薄膜的集成式中子探测器及其制备方法，首先制备ZnO薄膜光导型紫外探测器，并在其上采用射频磁控溅射法制备表面均匀，结晶质量和闪烁性能良好的B、Ga共掺杂ZnO闪烁体薄膜，从而为实现一种B、Ga共掺ZnO闪烁体薄膜/ZnO薄膜光导紫外探测器结构的中子探测器提供了方法。本发明中子探测器采用B、Ga共掺杂ZnO闪烁体薄膜作为中子转化层将中子转化成α粒子，α粒子进一步激发B、Ga共掺杂ZnO闪烁体薄膜产生紫外线，再利用ZnO薄膜光导型紫外探测器探测紫外线，从而实现中子探测。

Description

基于ZnO薄膜的集成式中子探测器及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种无机基于非金属材料的辐射探测器件制备方法，特别是涉及一种基于半导体的中子辐射探测器件制备方法，应用于物体和空间中子探测装置制备技术领域。

背景技术

随着公共安全、核工业、科学研究及航空航天等需要进行辐射监控的领域不断扩大，以及监控广度和深度要求的多样化，低功耗、快速响应、便携、性价比高的新型中子探测器成为重要发展方向之一。在这些要求上，目前无论是基于气体室的BF₃和³He正比探测器，还是基于涂硼电离室的中子探测器等都很难较好满足。其它如闪烁体中子探测器，由于闪烁体与探测光的器件如光电倍增管(PMT)彼此分离，且PMT本身也较复杂，使得总体积较大。因此采用固体中子转换材料及半导体探测器固体粒子探测器并集成化是研究重点之一。其中半导体探测器由于工艺简单、功耗低、体积小、能量分辨率高等特点，在高性能、微型化、低功耗中子探测器中具有优势和广阔前景

ZnO晶体是重要的-族化合物半导体，宽直接带隙(在室温下3.37eV)、高激子结合能(60MeV)、仅次于金刚石的高抗辐照性能、高机电耦合系数、高电子迁移率、价格低廉、无毒等，这些优异的性质使其具有广泛的用途，如透明电极，紫外光探测器等。而且ZnO闪烁体具有优异的闪烁性能，是D-T中子发生器中α粒子的首选闪烁探测材料。与其他无机闪烁体相比，ZnO闪烁体除具有较高光输出外，也是迄今为止发现的衰减时间最短的闪烁材料，这有利于实现器件的高速响应。ZnO晶体具有优于GaN、Si、GaAs和CdS等半导体材料的抗辐射性能，可应用于高辐射的环境，如太空、核电站等，但目前还没有关于将ZnO闪烁体应用于中子探测器件的相关报道，ZnO晶体制备成本高，速度较慢，质量不易控制，很难适用于具有较大体积的固体粒子探测器的大面积功能层应用。

发明内容

为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种基于ZnO薄膜的集成式中子探测器及其制备方法，在制备ZnO薄膜光导型紫外探测器表面上，采用射频磁控溅射法制备表面均匀、结晶质量和闪烁性能良好的B、Ga共掺杂ZnO闪烁体薄膜，从而制备B、Ga共掺ZnO闪烁体薄膜/ZnO薄膜光导紫外探测器结构的中子探测器。

为达到上述发明创造目的，本发明采用如下发明构思：

制备硼镓(B、Ga)共掺ZnO闪烁体薄膜/ZnO薄膜光导紫外探测器结构的中子探测器，使在本发明器件结构中，B、Ga共掺ZnO闪烁体薄膜作为中子探测第一步中的中子转换层材料，该转换层利用¹⁰B(n,a)⁷Li反应将中子转换为a粒子，同时该转换层本身作为一种闪烁材料在a粒子激发下会发出特定波长的紫外光。在发明器件中子探测的第二步中，采用ZnO薄膜光导紫外探测器探测从闪烁体薄膜中发出的紫外光从而间接实现对中子的探测。

根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种基于ZnO薄膜的集成式中子探测器，采用B、Ga共掺杂ZnO闪烁体薄膜作为中子转化层将中子转化成α粒子，使α粒子进一步激发B、Ga共掺杂ZnO闪烁体薄膜产生紫外线，再利用与中子转化层通过欧姆接触方式集成在一起的ZnO薄膜光导型紫外探测器探测紫外线，形成中子探测器件的固态结构，在中子转化层中，B和Ga的掺杂量分别为ZnO闪烁体薄膜复合材料重量百分比的10~50%和1~10%。

上述作为中子转化层的B、Ga共掺杂ZnO闪烁体薄膜的厚度优选为0.2~2mm。

上述ZnO薄膜光导型紫外探测器优选主要由ZnO薄膜和叉指状的Ti/Al复合金属电极通过欧姆结构结合方式进行组装，形成具有欧姆结构结合方式的ZnO薄膜器件。

上述叉指状的Ti/Al复合金属电极的厚度优选为50~300nm。

本发明还提供一种一种本发明基于ZnO薄膜的集成式中子探测器的制备方法，包括如下步骤：

a.衬底预处理：采用表面光滑，厚度在1~3mm的玻璃作为衬底，将衬底用去离子水、丙酮和乙醇分别超声清洗10~20分钟，洗去衬底表面的杂质与有机物污染物，用高纯N₂气将吹衬底干后，再将衬底放入磁控溅射反应腔体内；

b.ZnO薄膜光电导探测器的制作：采用磁控溅射法在步骤a中预处理后的衬底上制备高电阻ZnO薄膜，采用的靶材为纯度99.99%的ZnO陶瓷靶，溅射气氛为氩气和氧气的混合气体，并将氧气流量控制在溅射气氛混合气体总流量的1~50%，控制溅射气氛混合气体气压为1~6mTorr，溅射功率控制在50~300W，溅射时间保持30~200min，通过磁控溅射法制备ZnO薄膜厚度为0.1~1.5mm，然后将制备好的ZnO薄膜在纯度99.99%的N₂氛围中进行退火，退火温度为300~800°C，退火时间为5~120分钟，再通过光刻工艺在ZnO薄膜表面上制作叉指电极掩膜版，利用掩模版在上述ZnO薄膜表面上沉积制备厚度为50~300nm的叉指状的Ti/Al复合金属电极，形成具有欧姆结构结合方式的ZnO薄膜器件，然后将ZnO薄膜器件在真空中并于100~600℃下退火1~5分钟形成良好的欧姆接触，最终获得ZnO薄膜光电导型紫外光探测器；利用掩模版在ZnO薄膜表面上优选采用蒸镀、电子束蒸发或溅射方法制备Ti/Al复合金属电极；

c.B、Ga共掺ZnO闪烁体薄膜/ZnO薄膜光导紫外探测器结构中子探测器的制备：在步骤b中制备的ZnO薄膜光导型紫外探测器上采用磁控溅射法制备B、Ga共掺ZnO闪烁体薄膜，采用B掺杂量为10~50%且Ga掺杂量为1~10%的ZnO陶瓷靶为靶材，溅射气氛气体采用氩气，将在步骤b中制备的ZnO薄膜光导型紫外探测器的衬底加热到100~500℃，控制溅射气氛气体气压为1~6mTorr，溅射功率控制在50~300W，首先进行预溅射5-15min后，再打开挡板正式溅射30~200min，在ZnO薄膜光电导型紫外光探测器的Ti/Al复合金属电极表面上制备厚度0.2~2mm的薄膜B、Ga共掺ZnO闪烁体薄膜，完成B、Ga共掺ZnO闪烁体薄膜/ZnO薄膜光导紫外探测器结构中子探测器的制备。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

1.相对于目前广泛采用的气体中子探测器，本发明制备的中子探测器为全固态中子探测器件，具有体积小、结构简单、能耗低、便携及成本低等特点；

2.本发明制备的中子探测器的中子转换层和光探测器材料均采用的是ZnO基材料，消除了材料不同所导致的晶格失配、界面态等缺陷，有利于制备性能优异的探测器；

3.本发明制备中子探测器采用的ZnO闪烁体具有目前已知最短的的衰减时间，仅次于金刚石的抗辐照性能，因此本发明采用ZnO作为探测器材料能够工作在高通量、高能量的辐射条件下，也可以实现超高速响应的中子探测。

附图说明

图1是本发明实施例一基于ZnO薄膜的集成式中子探测器的结构和中子探测原理图。

图2是本发明实施例一的欧姆结构ZnO薄膜紫外光探测器的结构示意图。

具体实施方式

本发明的优选实施例详述如下：

在本实施例中，参见图1和图2，一种基于ZnO薄膜的集成式中子探测器，采用B、Ga共掺杂ZnO闪烁体薄膜作为中子转化层4将中子转化成α粒子，使α粒子进一步激发B、Ga共掺杂ZnO闪烁体薄膜产生紫外线，再利用与中子转化层4通过欧姆接触方式集成在一起的ZnO薄膜光导型紫外探测器1探测紫外线，形成中子探测器件的固态结构，在中子转化层4中，B和Ga的掺杂量分别为ZnO闪烁体薄膜复合材料重量百分比的30%和10%，作为中子转化层4的B、Ga共掺杂ZnO闪烁体薄膜的厚度为0.7mm。

在本实施例中，参见图1和图2，ZnO薄膜光导型紫外探测器1主要由ZnO薄膜2和叉指状的Ti/Al复合金属电极3通过欧姆结构结合方式进行组装，形成具有欧姆结构结合方式的ZnO薄膜器件，叉指状的Ti/Al复合金属电极3的厚度为100nm。

在本实施例中，参见图1和图2，本实施例基于ZnO薄膜的集成式中子探测器的制备方法，包括如下步骤：

a.衬底预处理：采用表面光滑，厚度在2mm的玻璃作为衬底，将衬底用去离子水、丙酮和乙醇分别超声清洗15分钟，洗去衬底表面的杂质与有机物污染物，用高纯N₂气将吹衬底干后，再将衬底放入磁控溅射反应腔体内；

b.ZnO薄膜光导型紫外探测器的制作：采用磁控溅射法在步骤a中预处理后的衬底上制备高电阻ZnO薄膜2，采用的靶材为纯度99.99%的ZnO陶瓷靶，溅射气氛为氩气和氧气的混合气体，并将氧气流量控制在溅射气氛混合气体总流量的30%，控制溅射气氛混合气体气压为6mTorr，溅射功率控制在150W，溅射时间保持200min，通过磁控溅射法制备ZnO薄膜厚度为1mm，然后将制备好的ZnO薄膜2在纯度99.99%的N₂氛围中进行退火，退火温度为500℃，退火时间为20分钟，再通过光刻工艺在ZnO薄膜2表面上制作叉指电极掩膜版，利用掩模版在上述ZnO薄膜2表面上采用磁控溅射法沉积制备厚度为100nm的叉指状的Ti/Al复合金属电极3，形成具有欧姆结构结合方式的ZnO薄膜器件，然后将ZnO薄膜器件在真空中并于300℃下退火1分钟形成良好的欧姆接触，最终获得ZnO薄膜光导型紫外探测器1；

c.B、Ga共掺ZnO闪烁体薄膜/ZnO薄膜光导紫外探测器结构中子探测器的制备：在步骤b中制备的ZnO薄膜光导型紫外探测器上采用磁控溅射法制备B、Ga共掺ZnO闪烁体薄膜，采用B掺杂量为30%且Ga掺杂量为10%的ZnO陶瓷靶为靶材，溅射气氛气体采用氩气，将在步骤b中制备的ZnO薄膜光导型紫外探测器的衬底加热到200℃，控制溅射气氛气体气压为6mTorr，溅射功率控制在150W，首先进行预溅射10min后，再打开挡板正式溅射120min，在ZnO薄膜光电导型紫外光探测器的Ti/Al复合金属电极3表面上制备厚度为0.7mm的薄膜B、Ga共掺ZnO闪烁体薄膜，完成B、Ga共掺ZnO闪烁体薄膜/ZnO薄膜光导紫外探测器结构中子探测器的制备。

本实施例首先制备ZnO薄膜光导型紫外探测器，然后在其上采用射频磁控溅射法制备表面均匀，结晶质量和闪烁性能良好的B、Ga共掺杂ZnO闪烁体薄膜，从而为实现一种B、Ga共掺ZnO闪烁体薄膜/ZnO薄膜光导紫外探测器结构的中子探测器提供了方法。本实施例采用B、Ga共掺杂ZnO闪烁体薄膜作为中子转化层将中子转化成α粒子，α粒子进一步激发B、Ga共掺杂ZnO闪烁体薄膜产生紫外线，再利用ZnO薄膜光导型紫外探测器探测紫外线，从而实现中子探测。使用²⁵²Cf中子源对本实施例制备获得的B、Ga共掺ZnO闪烁体薄膜/ZnO薄膜光导紫外探测器结构的中子探测器进行辐照，通过其在中子辐照前后的电流-电压特性比较发现，该器件对中子源有明显的响应，器件电流增益大于5。本实施例采用ZnO薄膜制备工艺相比ZnO单晶制备工艺简单，批量生长可行性高，且基于薄膜的平面特性适合制备大面积的平板探测器。ZnO薄膜可由化学方法制备，也可通过物理方法得到。在这些薄膜制备方法中，磁控溅射法是较为常用的一种方法，这种方法成本低、速度快、质量好，适用于大面积沉积薄膜。本实施例制备的ZnO基全固态中子探测器对于公共安全、军事、核工业、核医学、科学研究以及航空航天等领域辐射监控、安全防护方面具有重要意义和应用前景。

上面结合附图对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明基于ZnO薄膜的集成式中子探测器及其制备方法的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于ZnO薄膜的集成式中子探测器，其特征在于：采用B、Ga共掺杂ZnO闪烁体薄膜作为中子转化层（4）将中子转化成α粒子，使α粒子进一步激发B、Ga共掺杂ZnO闪烁体薄膜产生紫外线，再利用与中子转化层（4）通过欧姆接触方式集成在一起的ZnO薄膜光导型紫外探测器（1）探测紫外线，形成中子探测器件的固态结构，在中子转化层（4）中，B和Ga的掺杂量分别为ZnO闪烁体薄膜复合材料重量百分比的10~50%和1~10%。

2.根据权利要求1所述基于ZnO薄膜的集成式中子探测器，其特征在于：所述作为中子转化层（4）的B、Ga共掺杂ZnO闪烁体薄膜的厚度为0.2~2mm。

3.根据权利要求1或2所述基于ZnO薄膜的集成式中子探测器，其特征在于：所述ZnO薄膜光导型紫外探测器（1）主要由ZnO薄膜（2）和叉指状的Ti/Al复合金属电极（3）通过欧姆结构结合方式进行组装，形成具有欧姆结构结合方式的ZnO薄膜器件。

4.根据权利要求3所述基于ZnO薄膜的集成式中子探测器，其特征在于：所述叉指状的Ti/Al复合金属电极（3）的厚度为50~300nm。

5.一种权利要求1所述基于ZnO薄膜的集成式中子探测器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

a.衬底预处理：采用表面光滑，厚度在1~3mm的玻璃作为衬底，将衬底用去离子水、丙酮和乙醇分别超声清洗10~20分钟，洗去衬底表面的杂质与有机物污染物，用高纯N₂气将吹衬底干后，再将衬底放入磁控溅射反应腔体内；

b.ZnO薄膜光电导探测器的制作：采用磁控溅射法在所述步骤a中预处理后的衬底上制备高电阻ZnO薄膜，采用的靶材为纯度99.99%的ZnO陶瓷靶，溅射气氛为氩气和氧气的混合气体，并将氧气流量控制在溅射气氛混合气体总流量的1~50%，控制溅射气氛混合气体气压为1~6mTorr，溅射功率控制在50~300W，溅射时间保持30~200min，通过磁控溅射法制备ZnO薄膜厚度为0.1~1.5mm，然后将制备好的ZnO薄膜在纯度99.99%的N₂氛围中进行退火，退火温度为300~800°C，退火时间为5~120分钟，再通过光刻工艺在ZnO薄膜表面上制作叉指电极掩膜版，利用掩模版在上述ZnO薄膜表面上沉积制备厚度为50~300nm的叉指状的Ti/Al复合金属电极，形成具有欧姆结构结合方式的ZnO薄膜器件，然后将ZnO薄膜器件在真空中并于100~600℃下退火1~5分钟形成良好的欧姆接触，最终获得ZnO薄膜光电导型紫外光探测器；

c.B、Ga共掺ZnO闪烁体薄膜/ZnO薄膜光导紫外探测器结构中子探测器的制备：在所述步骤b中制备的ZnO薄膜光导型紫外探测器上采用磁控溅射法制备B、Ga共掺ZnO闪烁体薄膜，采用B掺杂量为10~50%且Ga掺杂量为1~10%的ZnO陶瓷靶为靶材，溅射气氛气体采用氩气，将在所述步骤b中制备的ZnO薄膜光导型紫外探测器的衬底加热到100~500℃，控制溅射气氛气体气压为1~6mTorr，溅射功率控制在50~300W，首先进行预溅射5-15min后，再打开挡板正式溅射30~200min，在ZnO薄膜光电导型紫外光探测器的Ti/Al复合金属电极表面上制备厚度为0.2~2mm的薄膜B、Ga共掺ZnO闪烁体薄膜，完成B、Ga共掺ZnO闪烁体薄膜/ZnO薄膜光导紫外探测器结构中子探测器的制备。

6.根据权利要求5所述基于ZnO薄膜的集成式中子探测器的制备方法，其特征在于：在所述步骤b中，利用掩模版在ZnO薄膜表面上采用蒸镀、电子束蒸发或溅射方法制备Ti/Al复合金属电极。