CN105845746B - 基于碳化硅PIN二极管结构的γ辐照闪烁体探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于碳化硅PIN二极管结构的γ射线闪烁体探测器及其制作方法，主要解决现有技术探测率低、不利于集成、抗辐射性差的问题。本发明的碳化硅PIN二极管型γ射线探测器自下而上包括N型欧姆接触电极(8)、N型SiC衬底(7)、N型缓冲层(6)、掺杂浓本征吸收层(5)；该本征吸收层(5)中间区域开有窗口，窗口内埋入掺铈溴化镧闪烁体(1)，窗口内部区域及窗口上方淀积有一层SiO2反射层(2)，本征吸收层(5)两侧上方为P+薄层(4)，P+薄层(4)上方为P型欧姆接触电极(3)。该γ射线探测器探测率高，利于集成，抗辐射型好，可用于核能中对γ射线的探测。
Description
技术领域
本发明属于微电子技术领域，尤其涉及一种γ射线闪烁体探测器，可用于γ射线电离辐射探测领域。
背景技术
闪烁体探测器是目前应用最多，最广泛的电离辐射探测器之一。闪烁体材料具有探测效率高、分辨时间短、使用方便、适用性广等特点，因此闪烁体探测器在某些方面的应用已超过气体探测器，使得γ射线的能谱分析成为了可能。与HPGe，Si(Li)等半导体探测器相比，闪烁体探测器的能量分辨率较差，这将影响γ射线能谱分析的效果。
传统的Si，GaAs等材料由于其热导率较低、击穿电压较低、功率密度低、抗辐照性能不佳。因此，为了得到高性能高可靠性的探测器，需要设计新型半导体材料的辐射探测器。
半导体材料的SiC具有2.6eV～3.2eV较宽的禁带宽度、2.0×107cm·s-1的高饱和电子漂移速度、2.2MV·cm-1的高击穿电场、3.4W·cm-1～4.9W·cm-1的高热导率等性能，并且具有较低的介电常数，这些性质决定了其在高温、高频、大功率半导体器件、抗辐射、数字集成电路等方面都存在极大的应用潜力。具体地说，就是SiC材料的宽带隙决定了器件能在500℃这样相当高的温度下工作，并且在高温下暗电流仍然很低，灵敏度高，再加上它的原子临界位移能大，这使得SiC器件有着很好的抗辐照能力，尤其是在高温和辐照并存的情况下，SiC器件成了唯一的选择。因此基于SiC材料的抗辐射半导体器件在辐射探测领域将会有更好的应用前景。
文献《SPIE Optoelectronic Technologies for Remote Sensing from Space》介绍的由Glasow P，Ziegler G，Suttrop W等人于1987年提出的利用6H-SiC材料制备的n+p型紫外光电探测器。
文献“Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 583(2007)157-161”《Silicon carbide for UV，alpha，beta and X-ray detectors：Results andperspectives》介绍了意大利的Francesco Moscatelli提出的SiC肖特基结构的β探测器。
文献《4H-SiC肖特基二极管γ射线探测器的模型与分析》介绍了由张林、张义门、张玉明等人提出的4H-SiC肖特基二极管γ射线探测器的结构如图1所示。其中衬底为n+型4H-SiC，掺杂数密度为7.0×1018cm-3，厚度约为320μm；n外延层厚度为30μm，掺杂数密度为2.2×1015cm-3；衬底与外延层之间有1.0μm厚的n+缓冲层，掺杂数密度为1.0×1018cm-3，材料的掺杂元素为氮。肖特基金属为Au，直径2.0mm。本结构应用的4H-SiC材料，其本征载流子数密度很低，约为1.0×10-8cm-3，在器件制备中可以采用比Si等材料更低的掺杂数密度，Au/SiC肖特基接触势垒较高，约为1.2eV，使探测器具备较低的漏电流和较厚的灵敏区。此外，4H-SiC材料的临界击穿电场很高，是Si的10倍，在探测器的应用中可以采用更高的工作电压，提高探测器的灵敏度。实验研究还表明，Au/SiC接触有着良好的抗γ射线、质子、高能电子等各种辐照粒子的能力，能够使器件在强辐照环境下使用期更长，这一优越特性远远超过Si等材料做成的辐射探测器。但是肖特基势垒结构的探测器的制作工艺不适合在单片上的集成，探测范围较小，无法满足低剂量射线探测的需求。
单纯pn结型碳化硅伽马射线探测器，伽马射线的吸收系数太小，需要厚外延，难度大，而且薄pn结碳化硅伽马射线探测器探测效率低。
发明内容
本发明的目的在于避免已有技术上的不足，提出一种基于碳化硅PIN二极管的γ射线闪烁体探测器，以减小探测器的烁体体积，利于集成，并提高探测效率。
为实现上述目的，本发明的γ辐照探测器，包括掺铈溴化镧闪烁体1、SiO2反射层2、P型欧姆接触电极3，P+型薄层4、本征吸收层5，N型缓冲层6、N型衬底7和N型欧姆接触电极8；
所述本征吸收层5、N型缓冲层6、N型衬底7和N型欧姆接触电极8自上而下依次排列；
所述P+型薄层4位于本征吸收层5两侧上方，P型欧姆电极3位于P+型薄层4的上方；
其特征在于：
本征吸收层5的中间区域开有深度为0.5μm～1.5μm的窗口，窗口宽度为6.0μm～8.0μm，掺铈溴化镧闪烁体1埋入该窗口的中心区域，SiO2反射层2淀积在整个窗口区域内及窗口的上方。
作为优选，掺铈溴化镧闪烁体1的厚度为0.5μm～1.5μm。
作为优选，掺铈溴化镧闪烁体两侧的SiO2厚度为0.8μm～2.0μm，掺铈溴化镧闪烁体上方的SiO2厚度为0.3μm～0.5μm。
作为优选，P型欧姆接触电极3的厚度为50nm/100nm/100nm的Ti/Al/Au合金。
作为优选，N型欧姆接触层8为厚度为200nm/50nm/100nm的Ni/Cr/Au合金。
为实现上述目的，本发明基于碳化硅PIN二极管的γ辐照探测器的制作方法，包括如下步骤：
1)在掺杂浓度为1.0×1020cm-3～1.0×1021cm-3的N型4H-SiC衬底上外延一层厚度为1.0μm～2.0μm，掺杂浓度为1.0×1018cm-3～1.0×1019cm-3的N型缓冲层；
2)在N型缓冲层上外延一层厚度为1.5μm～2.0μm，掺杂浓度为1.0×1015cm-3～5.0×1016cm-3的本征吸收层；
3)在本征吸收层中心区域光刻出深0.5μm～1.5μm的窗口，并在窗口中心区域通过PVD工艺溅射厚度为0.5μm～1.5μm的掺铈溴化镧LaBr3(Ce)闪烁体；
4)在包括窗口区域的整个本征吸收层(5)上方通过PECVD工艺淀积SiO2反射层(2)，窗口的SiO2反射层在闪烁体两侧的厚度为0.8μm～2.0μm，在闪烁体上方的厚度为0.3μm～0.5μm；
5)采用湿法刻蚀工艺刻蚀掉两侧的本征吸收层上方的SiO2；
6)在两侧的本征吸收层上外延一层厚为0.1μm～0.5μm，掺杂浓度1.0×1019cm-3～1.0×1020cm-3的P+型薄层；
7)通过磁控溅射，在两侧P+薄层区域形成厚度分别为50nm/100nm/100nm的Ti/Al/Au合金；同时在器件背面通过磁控溅射形成厚度分别为 200nm/50nm/100nm的Ni/Cr/Au合金；
8)在高温下进行退火处理，形成P型欧姆接触电极和N型欧姆接触电极。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1.本发明利用碳化硅结构抗辐照能力强的特点，可以保证在核辐射和宇宙射线的辐射下，电子装备仍可以正常工作，非常有利与γ射线的探测；
2.本发明的γ辐照探测器基于PIN二极管结构，由于增加了N型缓冲层，可以使得表面陷阱效应得到有效的削弱，从而削弱了表面陷阱对器件的电学性能的影响，提高了器件的性能。
3.本发明通过窗口耦合闪烁体的结构，有效避免了传统闪烁体发光探测伽马射线的方法中，闪烁体体积大，不利于集成的弊端，有效的提高了集成度，适应了工艺技术的发展。
4.本发明将闪烁体埋进本征吸收层，使伽马射线直接照射闪烁体，避免了P+薄层对辐照的吸收，同时SiO2反射层也有效提高了本征吸收层对伽马射线的吸收率，提升了探测效率。
5.本发明采用掺铈溴化镧LaBr3(Ce)闪烁体取代传统NaI(TI)闪烁体，提高了伽马射线探测器的本征能量分辨率。
附图说明
图1是传统的肖特基二极管γ射线探测器示意图；
图2是本发明的结构示意图；
图3是本发明制作图2结构的流程示意图。
具体实施方式
本发明利用SiC半导体材料的独特优势，对伽马射线的吸收系数高，抗辐射能力强，基于SiC的探测器暗电流小，在高温下仍然可以保持很小的暗电流从而可以长期稳定工作，由本征半导体层增加了灵敏体积，大大增强了探测灵敏度，从而避免了PN结型碳化硅伽马射线探测器需要厚外延，探测率低的弊端，通过设置缓冲层，减少辐照射线对器件表面陷阱效应的影响，并且通过在器件窗口区域耦合一个闪烁体，从而避免了传统闪烁体发光探测伽马射线闪烁体体积大，不利于集成的缺点，同时避免了P+对辐照的吸收，进一步增强了探测效率，采用LaBr3(Ce)闪烁体提高了本征能量分辨率。
参照图2，本发明基于PIN二极管结构的γ辐照探测器，包括掺铈溴化镧闪烁体1、SiO2反射层2、P型欧姆接触电极3、P+型薄层4、本征吸收层5，N型缓冲层6、N型衬底7和N型欧姆接触电极8；其中本征吸收层5，N型缓冲层6、N型衬底7和N型欧姆接触电极8自上而下分布；本征吸收层5中间区域开有深度为0.5μm～1.5μm，宽度为6.0μm～8.0μm的窗口；LaBr3(Ce)闪烁体1埋入该窗口内，埋入深度为0.5μm～1.5μm；LaBr3(Ce)闪烁体1的两侧和上方淀积有一层SiO2反射层2；本征吸收层两侧上方为P+型薄层4；P+型薄层4上方是P型欧姆接触电极3。
所述N型欧姆接触电极8，由厚度为200nm/50nm/100nm的Ni/Cr/Au合金构成；
所述N+型衬底7，其掺杂浓度为1.0×1020cm-3～1.0×1021cm-3；
所述N型缓冲层6，其掺杂浓度为1.0×1018cm-3～1.0×1019cm-3，厚度为1.0μm～2.0μm；
所述本征吸收层5，其掺杂浓度为1.0×1015cm-3～5.0×1016cm-3，厚度为1.5～2.0μm；
所述P+型薄层4，其掺杂浓度为1.0×1019cm-3～1.0×1020cm-3，厚度为0.1μm～0.5μm；
所述P型欧姆接触电极3，由厚度为50nm/100nm/100nm的Ti/Al/Au合金构成；
所述SiO2反射层2，其在掺铈溴化镧闪烁体1两侧的厚度为0.8μm～2.0μm，其在掺铈溴化镧闪烁体1上方的厚度为0.3μm～0.5μm；
所述LaBr3(Ce)掺铈溴化镧闪烁体1，其厚度为0.5μm～1.5μm。
参照图3，本发明的制作图2所示γ辐照探测器的方法，给出如下三种实施例：
实施例1：制作掺铈溴化镧闪烁体埋入深度为0.5μm的γ辐照探测器。
第1步，选用掺杂浓度为1.0×1020cm-3的N型4H-SiC基片作为衬底7，清洗后，用低压热壁化学气相淀积法LPCVD，在外延温度为1570℃，压力100mbar，生长气体为C3H8、SiH4和H2的条件下，在衬底上外延生长厚度为1.0μm，掺杂浓度为1.0×1018cm-3的4H-SiC的N型缓冲层6，如图3a所示；
第2步，用低压热壁化学气象淀积法LPCVD，在外延温度为1570℃，压力100mbar，生长气体为C3H8、SiH4和H2的条件下，在N型缓冲层6上外延一层厚度为1.5μm，掺杂浓度为1.0×1015cm-3的本征吸收层5，如图3b所示；
第3步，在本征吸收层5中心区域光刻出深度为0.5μm，宽度为6.0μm的窗口，如图3c所示，并在窗口中心区域通过PVD溅射厚度为0.5μm的掺铈溴化镧LaBr3(Ce)1，如图3d所示；
第4步，通过PECVD在整个本征吸收层5和窗口区域淀积SiO2反射层2，其在掺铈溴化镧闪烁体1两侧的厚度为0.8μm，在掺铈溴化镧闪烁体1上方的厚度为0.3μm，在两侧的本征吸收层5上方的厚度为0.3μm，如图3e所示；
第5步，采用湿法刻蚀在SiO2反射层覆盖本征吸收层5的两侧区域的SiO2，即选用浓度为5％的缓冲HF酸腐蚀10秒，将SiO2反射层两侧区域表面的SiO2刻蚀掉，如图3f所示；
第6步，在两侧的本征吸收层5上外延一层厚度为0.1μm的碳化硅，采用离子注入进行掺杂，形成掺杂浓度为1.0×1019cm-3的P+型薄层4，如图3g所示；
第7步，通过磁控溅射，在两侧P+薄层区域形成厚度为50nm/100nm/100nm的Ti/Al/Au合金；同时在衬底背面通过磁控溅射形成厚度为200nm/50nm/100nm的Ni/Cr/Au合金；
第8步，在高温下进行退火处理，形成P型欧姆接触电极3和N型欧姆接触电极8，如图3h所示，完成基于PIN二极管的γ射线闪烁体探测器的制作。
实施例2：制作掺铈溴化镧闪烁体埋入深度为1.0μm的γ辐照探测器。
步骤一，外延N型缓冲层6，如图3a所示；
选用掺杂浓度为5.0×1020cm-3的N型4H-SiC基片作衬底7，清洗后，用低压热壁化学气相淀积法LPCVD，在衬底上外延生长厚度为1.5μm，掺杂浓度为5.0×1018cm-3的4H-SiC的N型缓冲层6；
其外延工艺条件：温度为1570℃，压力为100mbar，生长气体为C3H8、SiH4和H2；
步骤二，外延本征吸收层5，如图3b所示。
用低压热壁化学气象淀积法LPCVD，在N型缓冲层6上外延一层厚度为1.7μm，掺杂浓度为1.0×1016cm-3的本征吸收层5。
其外延工艺条件：温度为1570℃，压力为100mbar，生长气体为C3H8、SiH4和H2；
步骤三，开窗并埋入掺铈溴化镧闪烁体，如图3c、3d所示。
在本征吸收层5中心区域光刻出深度为1.0μm，宽度为7.0μm的窗口，并在窗口中心区域通过PVD溅射厚度为1.0μm的掺铈溴化镧LaBr3(Ce)1。
步骤四，淀积SiO2反射层，如图3e所示。
通过PECVD在整个本征吸收层5和窗口区域淀积SiO2反射层2，其在掺铈溴化镧闪烁体1两侧的厚度为1.4μm，在掺铈溴化镧闪烁体1上方的厚度为0.4μm，在两侧的本征吸收层5上方的厚度为0.4μm；
步骤五，刻蚀在SiO2反射层覆盖本征吸收层5的两侧区域的SiO2，如图3f所示。
采用湿法刻蚀，选用浓度为5％的缓冲HF酸腐蚀10秒，将SiO2反射层两侧区域表面的SiO2刻蚀掉。
步骤六，外延P+薄层，如图3g所示。
在本征吸收层5的两侧上外延一层厚度为0.3μm的碳化硅，采用离子注入进行掺杂，形成掺杂浓度为5.0×1019cm-3的P+型薄层4。
其外延工艺条件：温度为1570℃，压力为100mbar，生长气体为C3H8、SiH4和H2。
步骤七，制作电极，如图3h所示。
1)制作通过磁控溅射，在P+薄层区域上方形成厚度为50nm/100nm/100nm的Ti/Al/Au合金；同时在衬底背面通过磁控溅射形成厚度为200nm/50nm/100nm的Ni/Cr/Au合金。
2)在高温下进行退火处理，形成P型欧姆接触电极3和N型欧姆接触电极8，完成基于PIN二极管的γ射线闪烁体探测器的制作。
实施例3：制作掺铈溴化镧闪烁体埋入深度为1.5μm的γ辐照探测器；
第A步，N型缓冲层。
选用掺杂浓度为1.0×1021cm-3的N型4H-SiC基片作衬底7，并清洗；
用低压热壁化学气相淀积法LPCVD，在外延温度为1570℃，压力100mbar，生长气体为C3H8、SiH4和H2的条件下，在衬底上外延生长厚度为2.0μm，掺 杂浓度为1.0×1019cm-3的4H-SiC的N型缓冲层6，如图3a所示。
第B步，本征吸收层。
用低压热壁化学气象淀积法LPCVD，在外延温度为1570℃，压力100mbar，生长气体为C3H8、SiH4和H2的条件下，在N型缓冲层6上外延一层厚度为2.0μm，掺杂浓度为5.0×1016cm-3的本征吸收层5，如图3b所示。
第C步，开窗并埋入掺铈溴化镧闪烁体。
在本征吸收层5中心区域光刻出深为1.5μm，宽度为8.0μm的窗口，如图3c所示；
在窗口中心区域通过PVD溅射厚度为1.5μm的掺铈溴化镧LaBr3(Ce)1，如图3d所示。
第D步，淀积SiO2反射层。
通过PECVD在整个本征吸收层5和窗口区域淀积SiO2反射层2，其在掺铈溴化镧闪烁体1两侧的厚度为2.0μm，在掺铈溴化镧闪烁体1上方的厚度为0.5μm，在两侧的本征吸收层5上方的厚度为0.5μm，如图3e所示。
第E步，刻蚀多余SiO2。
采用湿法刻蚀在SiO2反射层覆盖本征吸收层5的两侧区域的SiO2，即选用浓度为5％的缓冲HF酸腐蚀10秒，将SiO2反射层两侧区域表面的SiO2刻蚀掉，如图3f所示。
第F步，P+型薄层。
在本征吸收层5的两侧上方外延一层厚度为0.5μm的碳化硅；
采用离子注入对碳化硅进行掺杂，形成掺杂浓度为1.0×1020cm-3的P+型薄层4，如图3g所示。
第G步，建设合金。
通过磁控溅射，在P+薄层区域形成厚度为50nm/100nm/100nm的Ti/Al/Au合金；
通过磁控溅射，在衬底背面形成厚度为200nm/50nm/100nm的Ni/Cr/Au合金。
第H步，形成电极。
在高温下进行退火处理，形成P型欧姆接触电极3和N型欧姆接触电极8， 如图3h所示，完成基于PIN二极管的γ射线闪烁体探测器的制作。
以上描述仅是本发明的几个具体实例，不构成对本发明的任何限制。显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于碳化硅PIN二极管结构的γ辐照探测器，包括掺铈溴化镧闪烁体(1)、SiO2反射层(2)、P型欧姆接触电极(3)，P+型薄层(4)、本征吸收层(5)，N型缓冲层(6)、N型衬底(7)和N型欧姆接触电极(8)；
所述本征吸收层(5)、N型缓冲层(6)、N型衬底(7)和N型欧姆接触电极(8)自上而下依次排列；
所述P+型薄层(4)位于本征吸收层(5)两侧上方，P型欧姆电极(3)位于P+型薄层(4)的上方；
其特征在于：
本征吸收层(5)的中间区域开有深度为0.5μm～1.5μm、宽度为6.0μm～8.0μm的窗口，掺铈溴化镧闪烁体(1)埋入该窗口区域内，SiO2反射层(2)淀积在整个窗口区域内及窗口的上方。
2.根据权利要求1所述的γ辐照探测器，其特征在于掺铈溴化镧闪烁体(1)的厚度为0.5μm～1.5μm。
3.根据权利要求1所述的γ辐照探测器，其特征在于窗口的SiO2反射层在闪烁体两侧的厚度为0.8μm～2.0μm，在闪烁体上方的厚度为0.3μm～0.5μm。
4.根据权利要求1所述的γ辐照探测器，其特征在于P型欧姆接触电极(3)为厚度为50nm/100nm/100nm的Ti/Al/Au合金。
5.根据权利要求1所述的γ辐照探测器，其特征在于N型欧姆接触层(8)为厚度为200nm/50nm/100nm的Ni/Cr/Au合金。
6.一种基于碳化硅PIN二极管的γ辐照探测器的制作方法，包括如下步骤：
1)在掺杂浓度为1.0×1020cm-3～1.0×1021cm-3的N型4H-SiC衬底(7)上外延一层厚度为1.0μm～2.0μm，掺杂浓度为1.0×1018cm-3～1.0×1019cm-3的N型缓冲层(6)；
2)在N型缓冲层(6)上外延一层厚为1.5μm～2.0μm，掺杂浓度1.0×1015cm-3～5.0×1016cm-3的本征吸收层(5)；
3)在本征吸收层(5)中心区域光刻出深0.5μm～1.5μm的窗口，并在窗口中心区域通过PVD工艺溅射厚度为0.5μm～1.5μm的掺铈溴化镧LaBr3(Ce)闪烁体(1)；
4)在包括窗口区域的整个本征吸收层(5)上方通过PECVD工艺淀积SiO2反射层(2)，窗口的SiO2反射层在闪烁体两侧的厚度为0.8μm～2.0μm，在闪烁体上方的厚度为0.3μm～0.5μm；
5)采用湿法刻蚀工艺刻蚀掉本征吸收层(5)的两侧上方的SiO2；
6)在本征吸收层(5)的两侧上外延一层厚度为0.1μm～0.5μm，掺杂浓度为1.0×1019cm-3～1.0×1020cm-3的P+型薄层(4)；
7)通过磁控溅射，在两侧P+薄层区域形成厚度分别为50nm/100nm/100nm的Ti/Al/Au合金；同时在器件背面通过磁控溅射形成厚度分别为200nm/50nm/100nm的Ni/Cr/Au合金；
8)在高温下进行退火处理，形成P型欧姆接触电极(3)和N型欧姆接触电极(8)。
7.根据权利要求6所述的γ辐照探测器的制作方法，其中步骤(1)、(2)、(6)中所涉及的外延，均采用如下工艺条件：
温度为1570℃，
压力为100Mbar，
生长气体为C3H8、SiH4和H2。
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