专利名称：一种pin型室温核辐射探测器及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种核辐射探测器及其制备方法，具体涉及一种PIN型室温 核辐射探测器及其制备方法。
背景技术：
室温核辐射探测器是继气体探测器、闪烁体探测器之后发展起来的一类 新型探测器，具有室温灵敏度高、噪声低、响应光谱宽、脉冲时间短、探测 效率髙、抗辐照损伤能力强、稳定性髙等优点，在环境监测、核医学、工业 无损检测、安全检查、核武器突防、航空航天、天体物理和高能物理等领域 具有广泛的用途，已经成为现代髙科技领域的前沿研究热点之一。然而，由于室温核辐射探测器要求在室温下工作，且对能量分辨率和探 测效率要求较髙，所以对制备探测器的材料也提出了很髙的要求。 一般认为 必须满足如下要求①较髙的原子序数，确保对Y射线有较髙的阻止本领， 从而保证探测器具有较髙的探测效率；②较大的禁带宽度，保证探测器在室 温下工作时，具有较高的电阻率和较低的漏电流；③良好的工艺性能，容易 制得纯度髙、完整性好的单晶体，同时具有优良的机械性能和化学稳定性， 便于进行机械加工，容易制作成势垒接触或欧姆接触；④优异的物理性能， 能耐较髙的反向偏压，反向漏电流小，正向电流也小，同时材料中载流子的 迁移率-寿命积要大，确保探测器具有良好的能量分辨率。此外，这些半导体 材料在其单晶生长、晶体加工上也应有较为成熟的工艺，因此，符合上述要求的材料很少。目前，研究最多的是CdZnTe(CZT)室温核辐射探测器，美国、俄罗斯等 国都已将CZT晶体材料及其探测器商业化，然而，该晶体材料存在如下问 题①由于CZT晶体材料的热传导率极低、其堆垛缺陷形成能较小，使其 在晶体生长过程中，温度波动等因素极易引起孪晶的出现②由于其临界切 应力低，极易产生位错；③其组成元素中，Cd的蒸气分压较其它两种组分 的蒸气分压高得多，易造成熔体富Te;④在其晶体生长的降温过程中，髙温下存在的固溶区其宽度在室温时将收缩至"0"，容易形成Te沉淀/夹杂，从 而影响材料性能；因此，制备高质量的CZT晶体及其探测器是比较困难的， 其成本也非常昂贵。现今作为第三代半导体材料代表的GaN及其多元合金材料，因其独特而 优异的光学和电学性能，备受学术界和工业界的关注和青睐，特别在光电子 (如发给二极管LED和激光二极管)和微电子(高电子迁移率晶体管HEMT) 领域的研究和应用尤其活跃，是当今半导体界的国际焦点。在探测器领域，GaN基材料也逐渐成为紫外探测器、特别是太阳光盲紫 外探测器的研究热点。例如，《半导体学报》第25巻第6期第711页至714 页的"GaN基肖特基结构紫外探测器" 一文，即公开了一种GaN基的紫外 探测器，由生长在蓝宝石衬底上的20纳米的GaN缓冲层、1微米的ii型GaN 外延层和0.6微米的本征GaN外延层构成，表面制备肖特基电极，并通过光 刻在n型GaN外延层上制备欧姆电极，具有良好的紫外探测性能。由于GaN 具有宽带隙、强共价键结合、髙熔点、髙击穿电场、抗腐蚀、抗辐射等优良 性能，因此发明人认为其可以作为室温核辐射探测器半导体材料，解决现有 CZT室温核辐射探测器存在的问题。然而，现有的GaN紫外探测器厚度只 有1 2微米，并不适用于室温核辐射探测。另一方面，现有技术中，在制备探测器时，采用的是单向生长工艺，采 用多步光刻的方式制备接触电极，因而制备工艺比较复杂，这也同时增加了 探测器的制作成本。发明内容本发明目的是提供一种PIN型室温核辐射探测器及其制备方法，获得的 探测器应当具有良好的室温灵敏度、探测效率和稳定性，同时，简化制备工 艺，降低成本。为达到上述目的，本发明采用的技术方案是 一种PIN型室温核辐射探 测器，包括GaN衬底、n型掺杂层、p型掺杂层和两个接触电极，所述GaN 衬底为厚膜结构，其厚度为100um 200iim，所述n型掺杂层为掺杂硅的 GaN薄膜，制作在所述GaN衬底的一面，所述p型掺杂层为掺杂镁的GaN薄膜，制作在GaN衬底的另一面，两个接触电极分别制作在n型掺杂层和p 型掺杂层的外表面。上述技术方案中，所述GaN衬底GaN单晶厚膜，其电阻率为106 109Q.cm，位错密度小于IOW2。上述技术方案中，与n型掺杂层相连的接触电极是在n型掺杂层外表面 沉积10nm 30nm的Ti/Au而成的，与p型掺杂层相连的接触电极是在p型 掺杂层外表面沉积10nm 30nm的Ni/Au而成的。上述技术方案中，所述ii型掺杂层的厚度为lum 3iim，所述p型掺杂 层的厚度为lum 3um。所述PIN型室温核辐射探测器的制备方法，包括如下步骤1) 采用MOCVD法，在蓝宝石衬底上生长GaN薄膜，薄膜厚度为lum 4ums2) 将上述GaN薄膜作为新的衬底，生长GaN单晶厚膜，厚度为100um 200um,生长结束时，进行降温，使GaN单晶厚膜从衬底上分离，得到GaN 单晶厚膜衬底3) 在上述GaN单晶厚膜衬底的一面生长n-GaN(Si)薄膜，Si离子掺杂 浓度为5xl018/Cm2 5xl019/Cm3，形成n型掺杂层，厚度为lum 3um;翻 转上述衬底，在衬底的另一面生长p-GaN(Mg)薄膜，Mg离子摻杂浓度为 5xl018/cm2 5xl019/cm3,形成p型掺杂层，厚度为lum 3um;4) 在上述n型掺杂层上沉积10nm 30nm的Ti/Au,在上述p型掺杂 层上沉积10nm 30nm的Ni/Au,制成欧姆接触电极；5) 经钝化、封装后制成PIN型GaN室温核辐射探测器。 与之相应的另一种制备方法，包括如下步骤1) 采用MOCVD法，在蓝宝石衬底上生长GaN薄膜，薄膜厚度为lum 4um:2) 将上述GaN薄膜作为新的衬底，生长GaN单晶厚膜，厚度为100um 200um,生长结束时，进行降温，使GaN单晶厚膜从衬底上分离，得到GaN 单晶厚膜衬底；3) 在上述GaN单晶厚膜衬底的一面注入Si离子，其注入离子浓度为5xl018/cm2 5xl019/cm3，形成n型掺杂层，厚度为lum 3um;翻转上述衬 底，在衬底的另一面注入Mg离子，其注入离子浓度为5xl018/cm2 5xl019/cm3,形成P型掺杂层，厚度为lum 3um;4) 在上述n型掺杂层上沉积10nm 30nin的Ti/Au，在上述p型掺杂 层上沉积10nm 30nm的Ni/Au，制成欧姆接触电极；5) 经钝化、封装后制成PIN型GaN室温核辐射探测器。 由于上述技术方案的使用，本发明与现有技术相比，具有下列优点-1. 由于本发明采用的GaN厚膜厚度有100um 200um,适应于核辐射 能量较大的情形，GaN材料具有髙电阻率、大原子序数、强共价键结合、高 熔点、髙击穿电场、抗腐蚀、抗辐射等优良性能，因此，用其制备的室温核 辐射探测器具有良好的室温灵敏度、探测效率和稳定性，更适用于强辐射场 的探测领域；2. 本发明采用厚膜，可以脱离蓝宝石衬底，将电极分别制作在探测器 两面，因而省去了套刻光刻工艺，生长方法新颖，制作工艺简单；3. 由于本发明使用的GaN材料具有良好的机械性能和化学稳定性，其 材料生长工艺较为成熟，易制备得到髙质量的GaN晶体材料。4. 本发明的GaN材料具有更宽的禁带宽度(GaN为3.39， CZT为1.5)， 因此由其制备的室温核辐射探测器不需要通过降温来减少热噪声，可以真正 实现室温工作。
附图1是本发明实施例一的层次结构示意图。其中1、 GaN衬底；2、 n型掺杂层；3、 p型掺杂层；4、 n型欧姆接 触电极；5、 p型欧姆接触电极。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步描述实施例一参见附图l所示，一种PIN型GaN室温核辐射探测器，包 括GaN衬底1、 n型掺杂层2、 p型掺杂层3和两个接触电极4、 5,所述n 型掺杂层2制作在所述GaN衬底1的一面，所述p型掺杂层3制作在GaN衬底1的另一面，接触电极4和5分别制作在n型和p型掺杂层的外侧表面 上。所述GaN衬底1是GaN单晶厚膜，其厚度为100 200um,电阻率为 106 109Q.cm，位错密度小于10、m人所述n型掺杂层2的厚度为2um,所 述p型掺杂层3的厚度为2um。本实施例的PIN型GaN室温核辐射探测器的制备方法，包括如下步骤1) 采用MOCVD外延方法在蓝宝石衬底上生长厚度为3um的GaN薄膜， 获得髙结晶品质的光滑表面GaN薄膜；2) 将上述GaN薄膜作为新的衬底，使用HVPE外延方法生长GaN单 晶厚膜，厚度为100 200um;3) 将上述GaN单晶厚膜作为新的衬底，在衬底的一面生长n-GaN(Si) 薄膜，形成n型掺杂层，厚度为2um;在上述衬底的另一面生长p-GaN(Mg) 薄膜，形成P型掺杂层，厚度为2um;4) 在上述n型掺杂层上沉积10/30nm的Ti/Au,在上述P型掺杂层上沉 积10/30nm的Ni/Au，制成接触电极；5) 经钝化、封装后制成PIN型GaN室温核辐射探测器。实施例二 一种PIN型GaN室温核辐射探测器的制备方法，包括如下 步骤1) 采用MOCVD外延方法在蓝宝石衬底上生长厚度为3nm的GaN薄膜， 获得髙结晶品质的光滑表面GaN薄膜；2) 将上述GaN薄膜作为新的衬底，使用HVPE外延方法生长GaN单 晶厚膜，厚度为100 200um;3) 在上述GaN单晶厚膜衬底的一面注入Si离子，其注入离子浓度为 5xl018/Cm2 5xl019/cm3,形成n型掺杂层，厚度为liim;翻转上述衬底， 在衬底的另一面注入Mg离子，其注入离子浓度为5xl018/cm2 5xl019/Cm3, 形成P型掺杂层，厚度为lum;4) 在上述n型掺杂层上沉积10nm/20nm的Ti/Au，在上述p型掺杂层 上沉积10nm/20nm的Ni/Au，制成接触电极；5) 经钝化、封装后制成PIN型GaN室温核辐射探测器。
权利要求
1.一种PIN型室温核辐射探测器，包括GaN衬底、n型掺杂层、p型掺杂层和两个接触电极，其特征在于所述GaN衬底为厚膜结构，其厚度为100um～200um，所述n型掺杂层为掺杂硅的GaN薄膜，制作在所述GaN衬底的一面，所述p型掺杂层为掺杂镁的GaN薄膜，制作在GaN衬底的另一面，两个接触电极分别制作在n型掺杂层和p型掺杂层的外表面。
2. 根据权利要求1所述的PIN型室温核辐射探测器，其特征在于所 述GaN衬底GaN单晶厚膜，其电阻率为106 109ftwm,位错密度小于ioW2。
3. 根据权利要求1所述的PIN型室温核辐射探测器，其特征在于与11 型掺杂层相连的接触电极是在n型掺杂层外表面沉积10nm 30nm的Ti/Au 而成的，与p型掺杂层相连的接触电极是在p型掺杂层外表面沉积10nm 30nm的Ni/Au而成的。
4. 根据权利要求1所述的PIN型室温核辐射探测器，其特征在于所 述n型掺杂层的厚度为lum 3um，所述p型掺杂层的厚度为lum 3um。
5. —种PIN型室温核辐射探测器的制备方法，其特征在于包括如下 步骤1) 采用MOCVD法，在蓝宝石衬底上生长GaN薄膜，薄膜厚度为lum 4um;2) 将上述GaN薄膜作为新的衬底，生长GaN单晶厚膜，厚度为100um 200um,生长结束时，进行降温，使GaN单晶厚膜从衬底上分离，得到GaN 单晶厚膜衬底3) 在上述GaN单晶厚膜衬底的一面生长n-GaN(Si)薄膜，Si离子掺杂 浓度为5xl017/cm2 5xl019/cm3，形成n型掺杂层，厚度为lum 3nm;翻 转上述衬底，在衬底的另一面生长p-GaN(Mg)薄膜，Mg离子掺杂浓度为 5xl017/cm2 5xl019/cm3,形成p型掺杂层，厚度为lum 3um;4) 在上述n型掺杂层上沉积10nm 30nm的Ti/Au，在上述p型掺杂 层上沉积10nm 30nm的Ni/Au，制成欧姆接触电极5) 经钝化、封装后制成PIN型GaN室温核辐射探测器。
6. —种PIN型室温核辐射探测器的制备方法，其特征在于包括如下 步骤1) 采用MOCVD法，在蓝宝石衬底上生长GaN薄膜，薄膜厚度为lum 4um s 2) 将上述GaN薄膜作为新的衬底，生长GaN单晶厚膜，厚度为100um 200um,生长结束时，进行降温，使GaN单晶厚膜从衬底上分离，得到GaN 单晶厚膜衬底； 3) 在上述GaN单晶厚膜衬底的一面注入Si离子，其注入离子浓度为 5xl017/cm2 5xl019/Cm3，形成n型掺杂层，厚度为lum 3um;翻转上述衬 底，在衬底的另一面注入Mg离子，其注入离子浓度为5xl017/Cm2 5xl019/Cm3，形成P型掺杂层，厚度为lum 3um: 4) 在上述n型掺杂层上沉积10nm 30nm的Ti/Au，在上述p型掺杂层上沉积10nm 30nm的Ni/Au,制成欧姆接触电极； 5) 经钝化、封装后制成PIN型GaN室温核辐射探测器。
全文摘要
本发明公开了一种PIN型室温核辐射探测器，包括GaN衬底、n型掺杂层、p型掺杂层和两个接触电极，其特征在于所述GaN衬底为厚膜结构，其厚度为100um～200um，所述n型掺杂层为掺杂硅的GaN薄膜，制作在所述GaN衬底的一面，所述p型掺杂层为掺杂镁的GaN薄膜，制作在GaN衬底的另一面，两个接触电极分别制作在n型掺杂层和p型掺杂层的外表面。本发明的室温核辐射探测器具有良好的室温灵敏度、探测效率和稳定性，更适用于强辐射场的探测领域；同时，本发明的制造工艺简单，成本低廉，适于工业化推广。
文档编号H01L31/18GK101241947SQ20081001983
公开日2008年8月13日 申请日期2008年3月18日 优先权日2008年3月18日
发明者敏 陆 申请人:苏州纳米技术与纳米仿生研究所