CN1270193C - 金刚石辐射检测仪 - Google Patents

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Abstract

一种辐射检测仪，包括掺硼金刚石衬底(10)，在衬底(10)的表面(14)上外延生长金刚石覆盖层(12)。在覆盖层(12)的上表面(16)提供与其电接触的交叉电极阵列(18)。

Description

金刚石辐射检测仪
技术领域
本发明涉及一种辐射检测仪。
背景技术
金刚石可以用于对辐射产生电学响应，这些辐射只穿透金刚石内一小段距离(比如小于10微米)，比如α粒子和波长小于约220纳米的电磁辐射(例如紫外线和软X-射线)。目前用于这种辐射检测的金刚石检测仪由一薄层金刚石组成，一般是厚度约1到200微米的生长金刚石(as-growndiamond)，这些金刚石薄层是独立的(free-standing)或者在非金刚石衬底(比如硅衬底)上形成。典型地，金刚石薄层的生长表面将会由交叉排列的电极阵列形成图案。
金刚石是一种宽带隙半导体，而且在室温下，在通常的环境中，它是一种电绝缘体。为了使纯的金刚石成为导体，电子必须从正常情况下的充满的价带激发到空的导带中，产生电子空穴对(e-h)，这种现象发生在辐射(比如γ-射线、X-射线、紫外线、α-粒子和β-粒子)撞击到金刚石时。如果电场穿过金刚石，则载流子会移动，并有光电流流动。对于特定的金刚石，光电流的大小取决于辐射类型及辐射强度，光电流直到电子空穴对重新结合后才停止流动。
通常，辐射产生的电荷载流子由金刚石薄层表面上交叉排列的电极阵列收集。
美国专利5,216,249描述了一种中子检测仪，该中子检测仪包括一个通过化学气相沉积形成的多晶金刚石薄层，金刚石中含有大量作为掺杂物的10B，以使中子检测器的特性达到最优化。
发明内容
根据本发明，一种辐射检测仪，特别适用于γ-射线、X-射线、紫外线、α-粒子和β-粒子等辐射的检测，包括生长在掺硼金刚石衬底表面上的金刚石覆盖层。
衬底为掺硼金刚石，可以是多晶的或者单晶的。金刚石可以是天然金刚石，也可以是合成金刚石，硼的掺入可以天然获得，也可以通过对硼引入高压/高温合成环境下的生长容器中由离子注入来实现。金刚石也可以采用化学气相沉积(CVD)的方法制得，在这种方法中，硼的掺入通常在金刚石合成的过程中实现。硼原子在金刚石点阵中可以位于置换位置或间隙位置上。典型地，掺硼金刚石中硼含量为每立方厘米硼原子数在1017到1021的范围内。
掺硼金刚石衬底的典型厚度为0.1到2毫米。
辐射检测仪有一个在掺硼金刚石衬底表面上外延生长的金刚石覆盖层。覆盖层金刚石与衬底金刚石有可比的晶粒尺寸。因此，如果衬底中掺硼金刚石的晶粒尺寸为20到50微米，则覆盖层金刚石的晶粒尺寸是20到50微米。金刚石覆盖层的典型厚度为1到500微米，最好在3到50微米的范围内。
生长过度(overgrown)的金刚石层也可能保留衬底的某些晶体特征，因此，例如，其晶粒尺寸将比生长在非金刚石衬底上的同样厚度覆盖层的晶粒尺寸大。
生长过度的金刚石最好采用化学气相沉积法(CVD)生长。目前，已很好地建立了通过CVD在衬底上沉积金刚石的方法，并且在专利和其它文献中已有广泛的描述。当金刚石沉积到衬底上时，该方法通常包括提供一种混合气体，这种混合气体一旦分解就能够产生原子态的氢或卤素(比如F、Cl)、碳或者含碳原子团以及其它活性组分(比如CHx、CFx，其中x从1到4)。而且，可以存在含氧源，同样，也可以存在含氮和含硼源。在很多工艺中，还存在惰性气体比如氦、氖或氩。因此，一种典型的源气体混合物包含碳氢化合物CxHy(其中x、y分别是从1到10)、卤烃CxYyHa1z(其中x、y、z分别是从1到10)，可选地包含下列一种或多种气体：CO、CO2、O2、H2、N2、NH3、B2H6和一种惰性气体。每一种气体可以按自然的同位素比或者人为控制的相对同位素比存在，例如，氢可以氘或氚的形式存在，碳则可以12C或13C的形式存在。源气体混合物的分解由诸如微波、激光、RF能、火焰或热灯丝之类的能源引发，分解产生的活性气体组分淀积在衬底上，形成金刚石。
在本发明的一个最好实施方式中，用于生长CVD金刚石覆盖层的表面是抛光的表面。这个表面可被抛光到低粗糙度，比如Ra(或中心线平均值)小于30纳米。在这样的抛光表面上，覆盖层生的长生后比在粗糙表面上生长的覆盖层更低。
典型地，在使用中辐射检测仪将包括应用于覆盖层的第一电接点和应用于衬底或者与衬底发生电接触的第二电接点。
而且，根据本发明，检测或测量辐射的方法包括提供上述类型的辐射检测仪和将金刚石覆盖层的表面暴露于辐射两个步骤。
附图说明
附图所示为本发明的辐射检测仪实施方式示意图。
具体实施方式
参照辐射检测仪示意图附图来描述本发明的具体实施方式。参照附图：掺硼金刚石衬底10上具有采用CVD法在衬底10表面14上外延生长的高质量金刚石薄覆盖层12。表面14可以是经抛光的表面。典型地，衬底10的硼含量为每立方厘米硼原子数在1017～1021的范围内。覆盖层12与衬底10有可比的晶粒尺寸。
在覆盖层12的上表面16提供与其电接触的交叉电极阵列18。电极阵列18中包括多个电极20。在衬底10上有一个接地的下表面接点22。交叉电极阵列16通过合适的隔离电路(在附图中以电容器24表示)与电流或电荷测量系统相连，26指示偏压。
在使用中，要检测的辐射撞击到高质量的薄覆盖层12上，产生e-h对，在外加偏压的影响下电子-空穴对分离，在外部电路中产生感应电流，并在电流或电荷测量系统测量感应电流，电流/电荷的数值表征辐射强度的大小。
在第二个实施方式中(未示出)，在高质量的覆盖层12的表面上制作交叉电极排列。在一组电极上加有-1000V～+1000V的偏压，第二组接地。在使用时，要检测的辐射撞击到高质量的薄覆盖层12上，产生e-h对，在外加偏压的影响下e-h对分离，在外部电路中产生感应电流，在电流或电荷测量系统测量感应电流，电流/电荷的数值表征辐射强度的大小。
本发明描述和说明的辐射检测仪与现有技术的人工金刚石检测仪相比有几大优点：第一，生长过度的覆盖层的晶粒尺寸大，使检测仪具有更好的性能；第二，桥接交叉电极阵列相邻电极之间空隙的粒晶数量增加，使得对一给定辐射强度的信号幅度增大；第三，导电衬底可用作背电极(back e1ectrode)；第四，生长过度的覆盖层中晶粒尺寸大，使覆盖层中缺陷密度更低；第五，比较而言，检测仪相当耐用。
下面的例子更进一步说明本发明。
实例
在4.5×4.5×0.8毫米大小、表面粗糙度(Ra)小于30纳米的掺硼金刚石层中，通过SIMS分析表明，含有每立方厘米1019数量级原子的均匀分布的硼。以该掺硼金刚石层作为衬底，采用CVD法在上面生长厚度为80微米的高纯度金刚石覆盖层。带有在上面生长金刚石覆盖层的衬底经处理加工制成产品，该产品在掺硼的衬底上有厚度为10微米、Ra小于30纳米的高质量的薄覆盖层。SIMS剖面分析表明，在界面的高纯金刚石一边没有检测到硼。产品的最终尺寸是4.5×4.5×0.81毫米。按图1所示布置，该结构可用作辐射检测仪。

Claims (13)

1.一种辐射检测仪，包括生长在掺硼金刚石衬底表面上的金刚石覆盖层。
2.根据权利要求1的辐射检测仪，用于检测来自γ射线、X射线、紫外线、α粒子以及β粒子的辐射。
3.根据权利要求1或2的辐射检测仪，其中掺硼金刚石是多晶的或单晶的。
4.根据权利要求1或2的辐射检测仪，其中掺硼金刚石是CVD金刚石。
5.根据权利要求1或2的辐射检测仪，其中掺硼金刚石中硼含量为每立方厘米硼原子数在1017到1021的范围内。
6.根据权利要求1或2的辐射检测仪，其中覆盖层金刚石具有与衬底金刚石可比的晶粒尺寸。
7.根据权利要求1或2的辐射检测仪，其中衬底掺硼金刚石晶粒尺寸为20微米到50微米，覆盖层金刚石晶粒尺寸为20到50微米。
8.根据权利要求1或2的辐射检测仪，其中掺硼金刚石衬底厚度为0.1到2毫米。
9.根据权利要求1或2的辐射检测仪，其中金刚石覆盖层厚度为1微米到500微米。
10.根据权利要求1或2的辐射检测仪，其中金刚石覆盖层厚度为3微米到50微米。
11.根据权利要求1或2的辐射检测仪，其中金刚石覆盖层采用CVD的方法获得。
12.根据权利要求11的辐射检测仪，其中CVD金刚石覆盖层生长在抛光的表面上。
13.根据权利要求12的辐射检测仪，其中抛光表面的表面粗糙度Ra小于30纳米。
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