CN110085701B - 用于核辐射探测的半导体中子探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种用于核辐射探测的半导体中子探测器。所述用于核辐射探测的半导体中子探测器包括：衬底，所述衬底包括连为一体的上部和下部；A中子转换层，所述A中子转换层形成于所述衬底的上部，且所述A中子转换层上表面设有A金属层；B中子转换层，所述B中子转换层形成于所述衬底的下部，且所述B中子转换层下表面设有B金属层；电子收集层，所述电子收集层形成于所述A中子转换层外周的衬底的上部。所述用于核辐射探测的半导体中子探测器具有能够提高探测效率以及辐射能量分辨率，并且具有低功耗以及时间响应快的特点。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种用于核辐射探测的半导体中子探测器。
背景技术
中子探测在粒子探测技术中占有特殊的地位，它不仅在粒子物理和核物理，而且在医学物理、天文物理、考古和地质勘探等学科都有广泛的应用。
现有的探测器以半导体二极管结构为主体，在其基础上通过增加转换材料（10B、6LiF）达到探测中子粒子的目的。随着科学技术的发展，对探测器的探测灵敏度、探测效率以及功耗有了更高的要求，然而现有技术中的核辐射探测器难以满足科学发展的要求。
发明内容
为了解决现有技术中存在的不足，本发明提供一种用于核辐射探测的半导体中子探测器，所述用于核辐射探测的半导体中子探测器具有能够提高探测效率以及辐射能量分辨率，并且具有低功耗以及时间响应快的特点。
根据本发明提供的技术方案，一种用于核辐射探测的半导体中子探测器，所述用于核辐射探测的半导体中子探测器包括：
衬底，所述衬底包括连为一体的上部和下部；
A中子转换层，所述A中子转换层形成于所述衬底的上部，且所述A中子转换层上表面设有A金属层；
B中子转换层，所述B中子转换层形成于所述衬底的下部，且所述B中子转换层下表面设有B金属层；
电子收集层，所述电子收集层形成于所述 A中子转换层外周的衬底的上部。
进一步地，所述A中子转换层包括多道间隔设置的沟槽结构，所述沟槽结构从衬底的上表面向衬底内延伸，且所述沟槽结构中填充有中子转化材料；
所述沟槽结构的表面以及相邻两道沟槽结构之间的A中子转换层上表面形成P型浅扩散层。
进一步地，所述B中子转换层包括多道间隔设置的沟槽结构，所述沟槽结构从衬底的下表面向衬底内延伸，且所述沟槽结构中填充有中子转化材料；
所述沟槽结构的表面以及相邻两道沟槽结构之间的B中子转换层上表面形成P型浅扩散层。
进一步地，所述，电子收集层呈封闭环形。
进一步地，所述电子收集层包括C金属层和N型注入层，所述N型注入层从所述衬底的上表面向所述衬底内延伸，所述C金属层设于所述N型注入层上。
进一步地，位于电子收集层与A中子转换层之间的衬底上表面上形成有绝缘层。
进一步地，位于所述电子收集层外周的衬底上表面上形成有绝缘层。
进一步地，所述衬底采用Si、GaAs、GaN、AlN、SiC、Ge、SiGe或单晶金刚石中的一种。
从以上所述可以看出，本发明提供的用于核辐射探测的半导体中子探测器，与现有技术相比具备以下优点：
其一，双面中子转换层的结构能够提高中子转化的数量，能够提高本发明的工作效率。
其二，采用双面中子转换层，且每个中子转换层中都间隔设有沟槽结构，沟槽结构中填充中子转化材料，此种结构的中子探测器结合上表面引入二极管的正负电极区便于集成和工作电压的调节、下表面调整金属层结构的覆盖区域兼顾工作电压调节，提高了探测效率、具有功耗低、能量分辨率高、时间响应快等特点。
附图说明
图1为本发明的纵剖结构示意图。
图2为图1中A-A剖面的剖视结构示意图。
图3为图1中B-B剖面的剖视结构示意图。
100. 衬底，200. A中子转换层，210. A金属层，220. 沟槽结构， 230. P型浅扩散层，300. B中子转换层，310. B金属层，400. 电子收集层，410. C金属层，420. N型注入层，500. 绝缘层。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。其中相同的零部件用相同的附图标记表示。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向。使用的词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。
本发明提供一种用于核辐射探测的半导体中子探测器，如图1~图3所示，所述用于核辐射探测的半导体中子探测器包括：
衬底100，所述衬底100包括连为一体的上部和下部，且所述衬底100包括上表面和下表面，所述衬底100上部的上表面为衬底100的上表面，衬底100下部的下表面为衬底100的下表面；
A中子转换层200，所述A中子转换层200形成于所述衬底100的上部，且所述A中子转换层200上表面设有A金属层210；在所述A中子转换层200中的中子能够通过反应转化为其它带电粒子；该带电粒子通过与P型浅扩散层230及衬底100形成的二极管作用后产生电子空穴对；
B中子转换层300，所述B中子转换层300形成于所述衬底100的下部，且所述B中子转换层300下表面设有B金属层310；在所述B中子转换层300中的中子能够通过反应转化为其它带电粒子；该带电粒子通过与P型浅扩散层230及衬底100形成的二极管作用后产生电子空穴对；
电子收集层400，所述电子收集层400形成于所述 A中子转换层200外周的衬底100的上部。所述电子收集层400用于收集A中子转换层200和B中子转换层300中生成的电子。
可以理解的是，双面中子转换层的结构能够提高中子转化的数量，能够提高本发明的工作效率。
所述A中子转换层200包括多道间隔设置的沟槽结构220，所述沟槽结构220从衬底100的上表面向衬底100内延伸，且所述沟槽结构220中填充有中子转化材料；所述中子转化材料可以采用10B或6LiF，所述中子转换材料吸收核辐射并在中子粒子的作用下能够释放出带电粒子。
所述沟槽结构220的表面以及相邻两道沟槽结构220之间的A中子转换层200上表面形成P型浅扩散层230。
所述B中子转换层300包括多道间隔设置的沟槽结构220，所述沟槽结构220从衬底100的下表面向衬底100内延伸，且所述沟槽结构220中填充有中子转化材料；
所述沟槽结构220的表面以及相邻两道沟槽结构220之间的B中子转换层300上表面形成P型浅扩散层230。
所述电子收集层400包括C金属层410和N型注入层420，所述N型注入层420从所述衬底100的上表面向所述衬底100内延伸，所述C金属层410设于所述N型注入层420上。
位于电子收集层400与A中子转换层200之间的衬底100上表面上形成有绝缘层500，所述绝缘层500优选二氧化硅层。所述绝缘层500可以降低表面态，从而降低表面漏电流。
需要解释的是，当在P型浅扩散区和N型注入区之间加反向偏压或0偏压时，即可实现核辐射探测。N型注入区是分布在P型浅扩散区外围的一个封闭带环结构，P型浅扩散区有利于调制电场，降低表面死区厚度，提高核辐射进入到半导体器件内部的效率。
可以理解的是，采用双面中子转换层，且每个中子转换层中都间隔设有沟槽结构220，沟槽结构220中填充中子转化材料，此种结构的中子探测器结合上表面引入二极管的正负电极区便于集成和工作电压的调节、下表面调整金属层结构的覆盖区域兼顾工作电压调节，双面沟槽结构提高了中子转换材料的接触面积，提高了中子探测器探测效率、具有功耗低、能量分辨率高、时间响应快等特点。
所属领域的普通技术人员应当理解：以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的主旨之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种用于核辐射探测的半导体中子探测器，其特征在于，所述用于核辐射探测的半导体中子探测器包括：
衬底（100），所述衬底（100）包括连为一体的上部和下部；
A中子转换层（200），所述A中子转换层（200）形成于所述衬底（100）的上部，且所述A中子转换层（200）上表面设有A金属层（210）；
B中子转换层（300），所述B中子转换层（300）形成于所述衬底（100）的下部，且所述B中子转换层（300）下表面设有B金属层（310）；
电子收集层（400），所述电子收集层（400）形成于所述 A中子转换层（200）外周的衬底（100）的上部；
所述A中子转换层（200）包括多道间隔设置的沟槽结构（220），所述沟槽结构（220）从衬底（100）的上表面向衬底（100）内延伸，且所述沟槽结构（220）中填充有中子转化材料；
所述沟槽结构（220）的表面以及相邻两道沟槽结构（220）之间的A中子转换层（200）上表面形成P型浅扩散层（230）；
所述电子收集层（400）呈封闭环形；
所述电子收集层（400）包括C金属层（410）和N型注入层（420），所述N型注入层（420）从所述衬底（100）的上表面向所述衬底（100）内延伸，所述C金属层（410）设于所述N型注入层（420）上。
2.如权利要求1所述的用于核辐射探测的半导体中子探测器，其特征在于，所述B中子转换层（300）包括多道间隔设置的沟槽结构（220），所述沟槽结构（220）从衬底（100）的下表面向衬底（100）内延伸，且所述沟槽结构（220）中填充有中子转化材料；
所述沟槽结构（220）的表面以及相邻两道沟槽结构（220）之间的B中子转换层（300）上表面形成P型浅扩散层（230）。
3.如权利要求1所述的用于核辐射探测的半导体中子探测器，其特征在于，位于电子收集层（400）与A中子转换层（200）之间的衬底（100）上表面上形成有绝缘层（500）。
4.如权利要求1所述的用于核辐射探测的半导体中子探测器，其特征在于，位于所述电子收集层（400）外周的衬底（100）上表面上形成有绝缘层（500）。
5.如权利要求1所述的用于核辐射探测的半导体中子探测器，其特征在于，所述衬底（100）采用Si、GaAs、GaN、AlN、SiC、Ge、SiGe或单晶金刚石中的一种。
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