CN117055092B - 一种集成apd的宽禁带中子检测计数器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种集成APD的宽禁带中子检测计数器及其制备方法。该计数器至少包括衬底、外延层，外延层为N掺杂，外延层上开设有沟槽；沟槽内表面制作有第一P型区，沟槽中填充有生长转换材料；相邻两个沟槽之间和/或计数器的中央制作有第二P型区，第二P型区上制作有N+型区，第一P型区端部、第二P型区上、N+型区上和衬底与制作有外延层相对的一面上均分别制作有欧姆电极。该计数器能够解决电流峰值小而不被检测到的问题，同时可以更加准确检测到中子入射而引起的电流脉冲信号，提高中子检测器检测效率。
Description
技术领域
本发明涉及中子检测技术领域，具体涉及一种集成APD的宽禁带中子检测计数器及其制备方法。
背景技术
中子检测器的工作原理是通过中子和转换材料（6LiF/10B）发生核反应产生次级带电粒子（α粒子和氚粒子），当产生的带电次级粒子进入体二极管的有源区时，由于库伦散射的存在，会产生大量的电子-空穴对，电子和空穴在体二极管外加电压下，被拉到两极产生一个微小的二极管电流脉冲信号，因此通过检测此电流脉冲信号，间接实现对入射中子的检测。
现有的中子检测器一般是平面型或者沟槽型，由于转换材料的自吸收效应，平面型的中子检测器的本征检测效率很低，据有关报道低于5%。而沟槽型中子检测器在平面型的基础上进行改进而形成，它可以增加转化材料的填充量，以及增加次级带电粒子入射到体二极管有源区的概率，从而提高检测效率。但是这种结构的中子检测器依然没有改进电子-空穴对多少，脉冲电流峰值仍旧很小而不易被检测到，依然存在中子入射而不被检测到的问题。
发明内容
基于上述表述，本发明提供了一种集成APD的宽禁带中子检测计算器，利用APD的放大功能，同时将其进行合理的布局设置，将小振幅、微弱的电流峰值信号进行一定倍数放大，进而使该小电流信号被检测到，从而完成中子的计数，提高中子检测效率。
本发明通过以下技术方案来实现上述技术目的：一种集成APD的宽禁带中子检测计数器，至少包括衬底、制作在衬底上的外延层，所述外延层为N掺杂，所述外延层上开设有沟槽；所述沟槽内表面制作有第一P型区，所述沟槽中填充有生长转换材料，所述生长转换材料的填充高度为上表面与外延层平齐；相邻两个所述沟槽之间和/或所述计数器的中央制作有第二P型区，所述第二P型区上制作有N+型区，所述第一P型区端部、所述第二P型区上、所述N+型区上和所述衬底与制作有外延层相对的一面上均分别制作有欧姆电极。
作为一种优选的实施方式，所述沟槽为多级沟槽，所述多级沟槽从外延层表面向衬底方向依次为第一级沟槽、第二级沟槽......第N级沟槽，所述第一级沟槽到第N级沟槽的沟槽宽度依次变小。
作为一种优选的实施方式，所述计数器呈圆柱形结构，所述沟槽呈环形布设，所述计数器的中央指多个沟槽的中心位置。
作为一种优选的实施方式，沿所述计数器的中央向外扩散的方向上，所述沟槽的槽深逐渐变大。
作为一种优选的实施方式，沿所述计数器的中央向外扩散的方向上，所述沟槽表面的第一P型区的掺杂浓度逐渐递增。
作为一种优选的实施方式，所述衬底的材料包括Ga2O3、Si、GaN、SiC、AlN、金刚石。
作为一种优选的实施方式，所述第一P型区和/或所述第二P型区的材料包括P型半导体氧化物、P型氮化物。
作为一种优选的实施方式，所述生长转换材料包括6LiF、10B。
作为一种优选的实施方式，当计数器的中央无第二P型区时，所述第一P型区端部和第二P型区上的欧姆电极可相连为一体。
本发明还提供一种上述集成APD的宽禁带中子检测计数器的制备方法，包括以下步骤：
在衬底上外延生长掺杂浓度为N的外延层，之后刻蚀得到沟槽；
在沟槽表面制作第一P型区，在相邻两个所述沟槽之间和/或所述计数器的中央制作第二P型区；
在沟槽中填充生长转换材料至其上表面与外延层平齐；
在第二P型区上通过离子注入的方式制作N+型区；
在所述第一P型区端部、所述N+型区上和所述衬底与制作有外延层相对的一面上沉积金属，并通过退火处理，制作欧姆电极。
作为一种优选的实施方式，所述第一P型区和所述第二P型区通过离子注入或沉积的方式制备得到。
本发明所提供的集成APD的中子检测器，至少具有以下有益技术效果：
（1）将APD集成在中子检测器中，能够解决电流峰值小而不被检测到的问题，同时可以更加准确检测到由于中子入射而引起的电流脉冲信号，提高中子检测器检测效率；
（2）将生长转换材料填充在多级沟槽中，越靠近多级沟槽底部次级带电粒子（LiF/B）从侧壁进入二极管有源区的距离缩短，减小了被转换材料自吸收的概率，另外，多级沟槽结构在实际应用中还能够提高反向阻断电压，与同等深度单级沟槽相比，能够在侧壁沉积更均匀的栅介质，而不至于在薄弱处提前击穿，减小了耐压对栅介质厚度的依赖；
（3）使用禁带宽度大、临界击穿电场高的氧化镓材料制作中子检测器，充分发挥材料特性、制造出的中子检测器能够在更高温度、更高电压以及更恶劣环境下稳定工作，同时，衬底材料所耐电压越高、APD放大倍数越大，可以实现大范围电压内的中子检测。
附图说明
图1为本发明实施例1中提供的一种集成APD的多级沟槽宽禁带中子检测计数器的纵截面结构示意图；
图2为图1中所示的计数器的工作原理图；
图3为本发明实施例2中提供的一种集成APD的多级沟槽宽禁带中子检测计数器的纵截面结构示意图；
图4为图3中所示的计数器的横截面结构示意图；
图5为图3中所示的计数器的工作原理图；
图6为实施例1中所述的集成APD的多级沟槽宽禁带中子检测计数器的制备流程图；
图7为实施例2中所述的集成APD的多级沟槽宽禁带中子检测计数器的制备流程图；
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1 衬底、2 外延层、3 沟槽、4 第一P型区、5 第二P型区、6 N+型区、7 欧姆电极。
具体实施方式
为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使本申请的公开内容更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。
可以理解，空间关系术语例如“在...下”、“在...下面”、“下面的”、“在...之下”、“在...之上”、“上面的”等，在这里可以用于描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在...下面”和“在...下”可包括上和下两个取向。此外，器件也可以包括另外地取向(譬如，旋转90度或其它取向)，并且在此使用的空间描述语相应地被解释。
一种集成APD的宽禁带中子检测计数器，包括衬底1、制作在衬底1上的外延层2，外延层2为N掺杂，外延层2上开设有沟槽3；沟槽3内表面制作有第一P型区4，沟槽3中填充有生长转换材料，且生长转换材料的填充高度为上表面与外延层2平齐；相邻两个沟槽3之间和/或计数器的中央制作有第二P型区5，第二P型区5上制作有N+型区6，第一P型区4端部、第二P型区5上、N+型区6上和衬底1与制作有外延层2相对的一面上均分别制作有欧姆电极7。
可以理解的是，第一P型区4的端部可以是第一P型区4位于沟槽中的位置，也可以是其延伸至外延层2上表面的位置，只要能够保证第一P型区4上方便制作欧姆电极7即可。还可以理解的是，由于衬底1和N+型区6是N掺杂，而第一P型区4是P掺杂，此处欧姆电极7制作时所用的金属材料是不同的。
本发明首先通过外延工艺等在衬底1上制作N掺杂的外延层2，随后在外延层2上刻蚀沟槽，之后再在相邻的两个沟槽之间或者计数器的中央（即多个沟槽的中心）或者同时在上述两个位置制作第二P+型区、N+型区和欧姆电极形成APD（图2、5中虚线框内为等效结构），这样就形成了集成APD的宽禁带中子检测计数器，该计数器至少具有能够提高中子检测速度的优势。
沟槽3既可以采用单级沟槽，也可以采用多级沟槽，其中优选的为采用多级沟槽，多级沟槽从外延层2表面向衬底1方向依次为第一级沟槽、第二级沟槽......第N级沟槽，第一级沟槽到第N级沟槽的沟槽宽度依次变小。
采用多级沟槽的结构，越靠近多级沟槽底部，次级带电粒子（LiF/B）从侧壁进入二极管有源区的距离缩短，减小了被转换材料自吸收的概率，另外，多级沟槽结构在实际应用中还能够提高反向阻断电压，与同等深度单级沟槽相比，能够在侧壁沉积更均匀的栅介质，而不至于在薄弱处提前击穿，减小了耐压对栅介质厚度的依赖。
进一步，计数器呈圆柱形结构，沟槽3呈环形布设，计数器的中央指多个沟槽3的中心位置。
本发明中，当仅在相邻两个沟槽之间集成APD（参见图1）和同时在相邻两个沟槽之间与计数器中央集成APD时，APD可以就近放大收集，该方案能够相对有效的提高中子检测速度，但是每个APD都会有暗电流，多个APD的暗电流叠加在一起会使得总暗电流增大，而中子入射到材料中时，当检测电流小于暗电流时，可能会存在检测不出中子的入射的情况，因此，灵敏度和检测效率相对较低。
当仅在计数器的中央集成APD（即多个环形多级沟槽的中心，参见图3、4）时，暗电流相对较小，能够有效提高中子检测灵敏度和检测效率，同时横向引入电场，使得电子和空穴在横向上有个加速作用，即增加了载流子漂移速度，缩短了电子和空穴被收集的时间，能够进一步提高检测速度和效率。
进一步，沿计数器的中央向外扩散的方向上，沟槽3的槽深逐渐变大。槽深逐渐增大的优势在于：由底部次级带电粒子产生的电子/空穴在漂移的过程中，避免撞击到相对内测的多级沟槽结构，造成电子不被收集，同时电子在横向电场的加速下，速度非常快，若长时间撞击相对中间的多级沟槽，会造成整个中子检测器可靠性降低，寿命缩短。
可以理解的是，槽深的增大既可以呈现一定的规律性，也可以不具有一定的规律性，只要能够满足槽深变大即可。其中，优选的为多级沟槽3的槽深呈等差数列的规律逐渐递增，更优选的为多级沟槽3中的各级沟槽的槽深均逐渐递增。
进一步，沿计数器的中央向外扩散的方向上，沟槽3表面的第一P型区4的掺杂浓度逐渐递增。第一P型区与衬底的N型区形成PN结，P型浓度越高，PN结的耗尽区就越往掺杂浓度低的N区耗尽，耗尽宽度就越大，而实际上次级带电粒子就是与耗尽区的本征离子碰撞产生电子-空穴对的，耗尽区越宽，次级带电粒子作用越完全，可以进一步增加检测效率。
本发明中，衬底1的材料包括但不限于Ga2O3、Si、GaN、SiC、AlN、金刚石。第一P型区4和/或第二P型区5的材料包括但不限于P型半导体氧化物、P型氮化物。
本发明中，第一P型区4端部和第二P型区5上的欧姆电极优选的为制作成相互独立的欧姆电极。这是因为制作成相互独立的电极，能够控制其既可以施加相同的电压也可以施加不同的电压，尤其是当计数器的中央制作有第二P型区5时，需要引入横向电场，则必须施加不同的电压。但是当计数器的中央无第二P型区5时，由于不存在横向电场，第一P型区4端部和第二P型区5上的欧姆电极既可以相互独立也可以相互连接为一体。
本发明还提供了上述集成APD的多级沟槽宽禁带中子检测计数器的制备方法，包括以下步骤：
在衬底1上外延生长掺杂浓度为N的外延层2，之后刻蚀得到沟槽3；
在沟槽3表面制作第一P型区4，在相邻两个所述沟槽3之间和/或所述计数器的中央制作第二P型区5；
在沟槽3中填充生长转换材料至其上表面与外延层2平齐；
在第二P型区5上通过离子注入的方式制作N+型区6；
在第一P型区4的端部、N+型区6上和衬底1与制作有外延层相对的一面上沉积金属，并通过退火处理，制作欧姆电极7。
上述方法中，第一P型区4和第二P型区5通过离子注入或沉积的方式制备得到。
下面结合具体实施例对本申请进行进一步的详细描述，以下各实施例，仅用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。基于本发明中的具体实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的情况下，所获得的其他所有实施例，都属于本发明的保护范围。
实施例1
以氧化镓基材料为例，首先通过HVPE等外延工艺在衬底上外延一层掺杂浓度为N，厚度为H的外延层，随后在外延层上连续刻蚀多级沟槽（N≥2），从外延层表面往衬底方向，依次定义为第一级沟槽、第二级沟槽......第N级沟槽，在两级沟槽之中以及两级沟槽之间进行离子注入，形成P型区，在沟槽里面填充生长转换材料（6LiF、10B）直至填充满整个多级沟槽，再在多级沟槽之间的P型区上进行离子注入形成N+型区，最后进行欧姆金属沉积，经过退火处理，形成欧姆电极，其中N+型区、P型区、和N型衬底（从顶部往衬底看）形成APD（图2中虚线框内为等效结构），本质为三极管结构，这样就形成了集成APD的宽禁带中子检测计数器，具体结构如图1、2所示，工艺流程参见图6，具体工艺如下：
（1）在氧化镓衬底上采用HVPE外延生长法生长掺杂浓度为N的外延层；
（2）采用BCl3和Ar的混合气体对氧化镓外延表面进行刻蚀，同时采用侧墙工艺得到多级沟槽；
（3）利用离子注入或沉积一层P型氧化物（如NiO），在多级沟槽表面形成一层第一P型区，在多级沟槽之间形成第二P型区；
（4）在多级沟槽中生长转换材料（6LiF或10B）直至充满整个多级沟槽；
（5）在多级沟槽之间的第二P型区上方进行离子注入，形成N+型区域；
（6）在N+型氧化镓上以及背面氧化镓衬底上沉积金属Ti/Au，通过退火处理，制作欧姆电极；
（7）在第一P型区上方同样沉积金属，通过退火处理，制作欧姆电极，形成APD的基极。
上述集成APD的中子检测计算器，工作原理如图2所示，当一个或一批中子入射转换材料后，最终通过APD（本质为NPN三极管，图2中灰色虚线框内）的放大作用，最终形成几十倍或者几百倍数量的电子-空穴对，这样即使中子数量有限而产生微弱小振幅的脉冲电流，最后也能经过APD的放大而被检测到，实现中子的计数，并且APD设置在相邻两个多级沟槽之间，APD可以就近放大收集，能够有效的提高中子检测速度。
实施例2
以氧化镓基材料为例，首先通过HVPE等外延工艺在衬底上外延一层掺杂浓度为N，厚度为H的外延层，随后在外延层上连续刻蚀多级沟槽（N≥2），从水平横截面方向上（即从计数器的中央向外扩散的方向上），每个多级沟槽随到中央的距离增加而逐渐加深，从表面往衬底方向上，每个多级沟槽依次包括第一级沟槽、第二级沟槽......第N级沟槽，在多级沟槽中以及结构中央进行离子注入，形成P型区，掺杂浓度分别为P1、P2、P3......Pn，在沟槽里面生长转换材料（6LiF、10B）直至填充满整个多级沟槽，再在P1型区上进行离子注入形成N+型区，最后进行欧姆金属沉积、经过退火处理，形成欧姆电极。其中N+型区、P1型区和N型衬底（从顶部往衬底看）形成APD（图5中虚线框内为等效结构），本质为三极管结构，这样就形成了集成APD的宽禁带中子环形检测计数器，纵截面的结构示意图参见图3，横截面的结构示意图参见图4，工艺流程参见图7，具体如下：
（1）在氧化镓衬底上采用HVPE外延生长法生长掺杂浓度为N的外延；
（2）采用BCl3和Ar的混合气体对氧化镓外延表面进行刻蚀，同时采用侧墙工艺得到多级沟槽，结构中央为单级沟槽，越远离中央，多级沟槽的槽深越深；
（3）利用离子注入或沉积一层P型氧化物（如NiO），在多级沟槽表面形成第一P型区，在单级沟槽中形成第二P型区；
（4）在多级沟槽之间生长转换材料（6LiF或10B）直至充满整个多级沟槽；
（5）在中央的单级沟槽中的第二P型区上方进行离子注入，形成N+型区；
（6）在N+型区以及衬底背面沉积金属Ti/Au，通过退火处理，制作欧姆电极；
（7）在第一P型区上方同样沉积金属，通过退火处理，制作欧姆电极，形成各环形P区的各个电极。
上述具体步骤集成的APD环形中子检测计数器，工作原理如图5所示：当一个或一批中子入射转换材料后，次级带电粒子在PN结耗尽区（Pn与N型区域形成异质耗尽区）经过散射产生电子-空穴对，电子-空穴对首先由于横向电场存在而加速向中央漂移，其次在纵向电场的作用下通过PAD（本质为NPN三极管）的放大作用，最终形成几十倍或者几百倍数量的电子-空穴对，且随后被APD的集电区收集，这样即使中子数量有限而产生微弱小振幅的脉冲电流，最后也能经过APD的放大而被检测到，实现中子的计数，其中P1、P2......Pn上的偏置电压依次增加。其至少具有如下有益效果：
（1）将APD集成在中子检测器中，能够解决电流峰值小而不被检测到的问题，同时可以更加准确检测到由于中子入射而引起的电流脉冲信号，提高中子检测器检测效率；
（2）环形结构的提出引入横向电场，加速载流子（空穴和电子）的运动，缩短中子检测的时间，同时提高了中子检测效率；
（3）使用禁带宽度大、临界击穿电场高的氧化镓材料制中子检测器，充分发挥材料特性、制造出的中子检测器能够在更高温度、更高电压以及更恶劣环境下稳定工作，同时，衬底材料所耐电压越高，APD放大倍数越大，可以实现大范围电压内的中子检测。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种集成APD的宽禁带中子检测计数器，其特征在于，至少包括衬底（1）、制作在衬底（1）上的外延层（2），所述外延层（2）为N掺杂，所述外延层（2）上开设有沟槽（3）；
所述沟槽（3）内表面制作有第一P型区（4），所述沟槽（3）中填充有生长转换材料，所述生长转换材料的填充高度为上表面与外延层（2）平齐；相邻两个所述沟槽（3）之间和/或所述计数器的中央制作有第二P型区（5），所述第二P型区（5）上制作有N+型区（6），所述第一P型区（4）端部、所述第二P型区（5）上、所述N+型区（6）上和所述衬底（1）与制作有外延层（2）相对的一面上均分别制作有欧姆电极（7）。
2.根据权利要求1所述的集成APD的宽禁带中子检测计数器，其特征在于，所述沟槽（3）为多级沟槽，所述多级沟槽从外延层（2）表面向衬底（1）方向依次为第一级沟槽、第二级沟槽......第N级沟槽，所述第一级沟槽到第N级沟槽的沟槽宽度依次变小。
3.根据权利要求1或2所述的集成APD的宽禁带中子检测计数器，其特征在于，所述计数器呈圆柱形结构，所述沟槽（3）呈环形布设，所述计数器的中央指多个沟槽（3）的中心位置。
4.根据权利要求3所述的集成APD的宽禁带中子检测计数器，其特征在于，沿所述计数器的中央向外扩散的方向上，所述沟槽（3）的槽深逐渐变大。
5.根据权利要求1或2所述的集成APD的宽禁带中子检测计数器，其特征在于，沿所述计数器的中央向外扩散的方向上，所述沟槽（3）表面的第一P型区（4）的掺杂浓度逐渐递增。
6.根据权利要求1或2所述的集成APD的宽禁带中子检测计数器，其特征在于，所述衬底（1）的材料包括Ga2O3、Si、GaN、SiC、AlN、金刚石；所述第一P型区（4）和/或所述第二P型区（5）的材料包括P型半导体氧化物、P型氮化物。
7.根据权利要求1或2所述的集成APD的宽禁带中子检测计数器，其特征在于，所述生长转换材料包括6LiF、10B。
8.根据权利要求1或2所述的集成APD的宽禁带中子检测计数器，其特征在于，当计数器的中央无第二P型区（5）时，所述第一P型区（4）端部和第二P型区（5）上的欧姆电极（7）可相连为一体。
9.权利要求1~8任一项所述的集成APD的宽禁带中子检测计数器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
在衬底（1）上外延生长掺杂浓度为N的外延层（2），之后刻蚀得到沟槽（3）；
在沟槽（3）表面制作第一P型区（4），在相邻两个所述沟槽（3）之间和/或所述计数器的中央制作第二P型区（5）；
在沟槽（3）中填充生长转换材料至其上表面与外延层（2）平齐；
在第二P型区（5）上通过离子注入的方式制作N+型区（6）；
在所述第一P型区（4）端部、所述N+型区（6）上和所述衬底（1）与制作有外延层（2）相对的一面上沉积金属，并通过退火处理，制作欧姆电极（7）。
10.根据权利要求9所述的集成APD的宽禁带中子检测计数器的制备方法，其特征在于，所述第一P型区（4）和所述第二P型区（5）通过离子注入或沉积的方式制备得到。
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