CN113206166A - 一种基于双转换层的沟槽型碳化硅中子探测器 - Google Patents

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张立龙
郭浩民
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Abstract

本发明公开一种基于双转换层的沟槽型碳化硅中子探测器，包括由下至上依次设置的背面欧姆接触电极、N+型4H‑SiC衬底、N‑型4H‑SiC外延层、正面欧姆接触电极，所述N‑型4H‑SiC外延层顶端等间距开设有若干沟槽，所述沟槽表面和所述N+型4H‑SiC衬底顶端均设置有P+掺杂区，所述沟槽内设置有双层转换层，所述双层转换层与所述P+掺杂区相接触。本发明能够实现在有限的沟槽深度内填充两种不同的转换材料，进一步的提升中子探测效率。

Description

一种基于双转换层的沟槽型碳化硅中子探测器
技术领域
本发明涉及半导体核辐射探测技术领域，特别是涉及一种基于双转换层的沟槽型碳化硅中子探测器。
背景技术
中子呈电中性，通过物质时不会发生库仑作用，所以中子不易被直接探测到。半导体中子探测器主要由中子转换材料和半导体二极管组成，利用中子与转换材料发生核反应可产生次级带电粒子，再通过半导体二极管器件对这些次级带电粒子的探测便可以间接的实现对中子的探测。
基于硅(Si)、锗(Ge)等常规半导体材料制备的中子探测器只能在低温或常温环境作业，同时辐射损伤还会降低其探测性能，因而不能应用于高温强辐射等极端环境中的中子探测。基于第三代宽带隙半导体材料4H-SiC制成的中子探测器具有能量线性度好、禁带能宽、耐高温、抗辐照等众多优点。相比于3He正比计数管、塑料闪烁体探测器和常规的半导体中子探测器，4H-SiC中子探测器具有无可比拟的优势。
平面型的半导体中子探测器由于中子转换材料的自吸收作用，导致中子探测效率不会高于5％。而沟槽型的中子探测器可以通过提升转换材料的填充量和次级粒子进入SiC检测器中的概率，进而可以大幅提升中子探测效率。而且沟槽的深度越深填充的转换材料就越多，中子的探测效率也就会越高。
传统的沟槽内部填充单转换材料的结构，如图1所示，在沟槽内填充中子转换材料，中子转换材料使中子与其发生核反应，产生次级带电粒子，次级带电粒子可以在SiC中电离。但是其由于仅存在一种转换材料，存在探测效率低的问题。
本发明基于碳化硅只能做浅沟槽刻蚀的技术现状，提出了一种在沟槽内填充双转换材料的新型碳化硅中子探测器结构。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于双转换层的沟槽型碳化硅中子探测器，以解决上述现有技术存在的问题，能够实现在有限的沟槽深度内填充两种不同的转换材料，进一步的提升中子探测效率。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种基于双转换层的沟槽型碳化硅中子探测器，包括由下至上依次设置的背面欧姆接触电极、N+型4H-SiC衬底、N-型4H-SiC外延层、正面欧姆接触电极，所述N-型4H-SiC外延层顶端等间距开设有若干沟槽，所述沟槽表面和所述N+型4H-SiC衬底顶端均设置有P+掺杂区，所述沟槽内设置有双层转换层，所述双层转换层与所述P+掺杂区相接触。
优选的，所述双转换层包括第一转换层和第二转换层，所述第一转换层和所述第二转换层均可吸收中子。
优选的，所述第一转换层沿所述沟槽底部设置，所述第二转换层位于所述第一转换层上方。
优选的，所述第一转换层上方设置有两第三转换层，两所述第三转换层沿所述沟槽侧壁设置，所述第二转换层位于两所述第三转换层之间。
优选的，所述第一转换层和所述第三转换层为10B转换层，所述第二转换层为6LiF转换层。
优选的，所述第一转换层的厚度为2μm-5μm，所述第三转换层71的厚度为1μm-3μm。
优选的，所述第二转换层顶端与所述N-型4H-SiC外延层顶端的高度相同。
本发明公开了以下技术效果：
相较于传统的沟槽内部填充单转换材料的结构，本发明提出的双转换材料的结构充分利用了10B和6LiF与热中子发生核反应的特点。因为10B的热中子捕获截面较大，但反应产物能量低且射程短，因此在靠近SiC检测器一侧的10B，即可保证中子的吸收量又可保证反应产物很容易就进入到SiC检测器区域。在远离SiC检测器区域的6LiF与热中子的反应产物能量较大，经过较薄的10B涂层后仍旧可以到达SiC检测器中。尤其针对碳化硅只能做浅沟槽刻蚀的技术现状下，双转换层结构相较于单转换层结构不需要改变结构参数就可使本征探测效率大幅度提升。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为传统单转换层沟槽型中子探测器结构示意图；
图2为新型双转换层沟槽型中子探测器结构示意图；
图3为U型10B和6LiF组成的双转换层沟槽型中子探测器结构示意图；
图4为图2所示结构在不同沟槽深度时探测效率随着沟槽底部10B厚度的变化情况；
图5为图3所示结构在不同沟槽宽度Tw时探测效率随着10B侧壁厚底的变化情况；
图6为三种结构的本征探测效率的比较；
其中，1-N+型4H-SiC衬底，2-N-型4H-SiC外延层,3-P+掺杂区，4-正面欧姆接触电极，5-背面欧姆接触电极，6-中子转换材料，7-第一转换层，71-第三转换层，8-第二转换层。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
如图2所示，本发明提供一种基于双转换层的沟槽型碳化硅中子探测器，包括由下至上依次设置的背面欧姆接触电极5、N+型4H-SiC衬底1、N-型4H-SiC外延层2、正面欧姆接触电极4，所述N-型4H-SiC外延层2顶端等间距开设有若干沟槽，所述沟槽表面和所述N+型4H-SiC衬底1顶端均设置有P+掺杂区3，所述沟槽内设置有双层转换层，所述双层转换层与所述P+掺杂区3相接触。
本发明针对现有技术中4H-SiC只能做浅沟槽的技术现状，且现有技术中仅在浅沟槽内填充一种转换材料，而本发明通过在沟槽内部填充两种不同的转换材料，从而达到提升探测效率的目的。P+掺杂区3是由共形离子注入形成的，P+掺杂区3是在沟槽台面、沟槽侧壁以及沟槽底部形成的一层连续的P+区域，这样可以降低漏电进而提高器件的电学性能。N+型4H-SiC衬底1和N-型4H-SiC外延层2可以替换成Si、GaN，也就是说本发明提供的结构对别的所有的半导体材料均适用，但是应用到强辐射和高温场合，SiC材料可以作为最优选的使用。
如图1所示，对比现有技术中的中子转换材料6，中子转换材料6就是为了使中子与其发生核反应，产生次级带电粒子，次级带电粒子可以在SiC中电离。因此要求转换材料的中子捕获截面高，而且次级粒子的能量大。但是中子转换材料6仅选择一种，其探测效率不如双转换层结构。
进一步的，所述双转换层包括第一转换层7和第二转换层8，所述第一转换层7和所述第二转换层8均可吸收中子。两转换层均可吸收中子，与中子发生核反应，从而产生次级带电粒子，次级带电离子可以在SiC探测器中发生电离，间接的实现了中子探测，而通过设置双转换层结构，进而提高中子探测效率。
进一步的，所述第一转换层7沿所述沟槽底部设置，所述第二转换层8位于所述第一转换层7上方。第二转换层8位于第一转换层7的顶端，且第一转换层7和第二转换层8的侧壁均与P+掺杂区3接触。
进一步的，所述第一转换层7为10B转换层，所述第二转换层8为6LiF转换层。本发明通过在沟槽底部先填充一层10B形成第一转换层7，然后使用6LiF将沟槽填充满形成第二转换层8，由于10B的热中子捕获截面较大，但反应产物能量低且射程短，因此在靠近SiC检测器一侧的10B，既可保证中子的吸收量又可保证反应产物很容易就进入到siC检测器区域。在远离siC检测器区域的6LiF与热中子的反应产物能量较大，经过较薄的第一转换层7后仍旧可以到达SiC检测器中。
进一步的，所述第一转换层7的厚度为2μm-5μm。所述第一转换层7的厚度优选为2μm，当沟槽深度H在不同的情况下，针对图2所示的新型双转换层沟槽型中子探测器结构进行讨论，沟槽底部10B的填充厚度HB对探测效率的影响如图4所示，在不增加沟槽深度也不改变沟槽结构参数的情况下就可以使探测效率得到提升，且当沟槽底部10B的填充厚度为2μm左右时探测效率达到最大值且与沟槽深度无关。因此当SiC沟槽刻蚀技术可以实现刻蚀深度较深时，本发明提供的双转换层结构同样适用，能大幅度提升中子探测性能。
进一步的，所述第二转换层8顶端与所述N-型4H-SiC外延层2顶端的高度相同。6LiF转换层将沟槽填充满，方便后续实验的进行。
实施例2
在实施例1的基础上，如图3所示，当所述第一转换层7的厚度为2μm时，所述第一转换层7上方设置有两第三转换层71，两所述第三转换层71沿所述沟槽侧壁设置，所述第二转换层8位于两所述第三转换层71之间。所述第三转换层71的厚度为1μm-3μm。
所述第三转换层71的厚度优选为1.5μm，本发明在双转换层的基础上，在沟槽的侧壁位置设置两第三转换层71，第三转换层71与第一转换层7的材质相同，第三转换层71和第一转换层7配合形成U型结构，也就是说使得第二转换层8不与沟槽侧壁接触。
当沟槽深度H为25μm沟槽间距Tg为5μm时，针对图3所示的第一转换层7与第三转换层71形成的U型结构和第二转换层8组成的双转换层沟槽型中子探测器结构进行讨论，如图5所示，在不同的沟槽宽度Tw的情况下，探测效率随着10B侧壁的厚度TB先增大后减小，且10B侧壁的厚度TB在1.5μm时探测效率取得最大值且与沟槽宽度Tw无关。
当图1、图2和图3所示的三种中子探测器结构参数均相同，即槽深度H都为25μm、沟槽间距Tg都为5μm、沟槽宽度Tw都为15μm时，这三种结构的本征热中子探测效率随LLD的变化情况如图6所示，当LLD等于300KeV时，图2所示的新型双转换层沟槽型中子探测效率比图1所示的传统单转换层沟槽型中子探效率提升了2.3％，图3所示的第一转换层7与第三转换层71形成的U型结构和第二转换层8组成的双转换层沟槽型中子探测器的探测效率比图1所示的传统单转换层沟槽型中子探测效率提升了4.9％。显然，本发明提出的两种复合转换层沟槽型中子探测器在不改变沟槽的结构参数的情况下就可以使器件本征热中子探测效率得到了显著的提高。
如图4所示的，当LLD＝300keV，沟槽间距固定为5μm，沟槽宽度为15μm时候，沟槽深度为25μm、50μm、75μm、100μm、125μm、150μm时探测效率随着10B厚度的变化情况：
B厚度 H＝25μm H＝50μm H＝75μm H＝100μm
0 7.7761 14.3676 20.0736 25.0254
0.5 8.9746 15.4212 21.0309 25.8060
1 9.5425 15.9292 21.4126 26.1959
1.5 9.8622 16.1877 21.6713 26.4076
2 10.04303 16.3345 21.7856 26.4834
2.5 10.0255 16.3227 21.7941 26.5441
3 9.9675 16.2833 21.7394 26.4767
3.5 9.8878 16.2309 21.7235 26.4063
4 9.8507 16.2001 21.6836 26.3744
4.5 9.7739 16.1061 21.5963 26.3405
5 9.7066 16.0577 21.5648 26.2988
5.5 9.6602 15.9891 21.4689 26.2757
6 9.5822 15.9155 21.4447 26.2095
6.5 9.5605 15.8696 21.3399 26.1813
7 9.4614 15.8076 21.2911 26.1259
7.5 9.4092 15.6877 21.2777 26.0660
8 9.3335 15.6891 21.1746 26.0308
8.5 9.2668 15.6259 21.1575 25.9397
9 9.1781 15.5200 21.0416 25.9330
9.5 9.1174 15.4756 21.0314 25.8499
10 9.0557 15.3909 20.9738 25.7602
如图5所示的，当沟槽深度为25μm，沟槽间距固定为5μm，沟槽宽度为15μm时候，LiF和LiF+B，探测效率随着侧壁10B厚度的变化情况：
Figure BDA0003041076520000091
如图6所示的，沟槽深度为25um，沟槽间距固定为5um，沟槽宽度为15um时候，LiF和LiF+B，探测效率随着LLD的变化情况：
LLD(KeV) 25um_LiF+0umB 23um_LiF+2umB 23um_LiF+UB
0 8.6861 12.4610 16.9636
100 8.0349 10.7739 13.9340
200 7.9094 10.4755 13.3941
300 7.76624/7.7597 10.04255/10.0638 12.61374
400 7.5832 9.5980 11.7946
500 7.0457 8.7630 10.5755
600 6.4249 7.8601 9.3397
700 5.9349 7.0755 8.2141
800 5.5266 6.3733 7.1088
900 5.1589 5.7579 6.2040
1000 4.7945 5.1842 5.4339
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于双转换层的沟槽型碳化硅中子探测器，包括由下至上依次设置的背面欧姆接触电极(5)、N+型4H-SiC衬底(1)、N-型4H-SiC外延层(2)、正面欧姆接触电极(4)，其特征在于，所述N-型4H-SiC外延层(2)顶端等间距开设有若干沟槽，所述沟槽表面和所述N+型4H-SiC衬底(1)顶端均设置有P+掺杂区(3)，所述沟槽内设置有双层转换层，所述双层转换层与所述P+掺杂区(3)相接触。
2.根据权利要求1所述的基于双转换层的沟槽型碳化硅中子探测器，其特征在于：所述双转换层包括第一转换层(7)和第二转换层(8)，所述第一转换层(7)和所述第二转换层(8)均可吸收中子。
3.根据权利要求2所述的基于双转换层的沟槽型碳化硅中子探测器，其特征在于：所述第一转换层(7)沿所述沟槽底部设置，所述第二转换层(8)位于所述第一转换层(7)上方。
4.根据权利要求3所述的基于双转换层的沟槽型碳化硅中子探测器，其特征在于：所述第一转换层(7)上方设置有两第三转换层(71)，两所述第三转换层(71)沿所述沟槽侧壁设置，所述第二转换层(8)位于两所述第三转换层(71)之间。
5.根据权利要求4所述的基于双转换层的沟槽型碳化硅中子探测器，其特征在于：所述第一转换层(7)和所述第三转换层(71)为10B转换层，所述第二转换层(8)为6LiF转换层。
6.根据权利要求4所述的基于双转换层的沟槽型碳化硅中子探测器，其特征在于：所述第一转换层(7)的厚度为2μm-5μm，所述第三转换层(71)的厚度为1μm-3μm。
7.根据权利要求3所述的基于双转换层的沟槽型碳化硅中子探测器，其特征在于：所述第二转换层(8)顶端与所述N-型4H-SiC外延层(2)顶端的高度相同。
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