一种大面积水平耗尽型中子探测器及其制备方法与流程

本发明属于面阵型核探测器技术领域，具体地讲，涉及一种大面积水平耗尽型中子探测器和该中子探测器的制备方法。

背景技术：

中子探测在核医学及临床诊断、本地辐射场测量、空间物理学、航天航空及工业应用、核电站安全监测系统、隐藏核材料探测等众多领域中都有着极其重要的意义。随着中子成像检测和诊断技术的发展，利用氦(³He)气体计数管的传统探测器已经不能满足需要，特别是针对位置高灵敏度的探测。开发小巧、可集成、在低偏压下仍能正常工作且具有高灵敏空间分辨率、高的探测效率、更耐高温和辐照工作的半导体探测器单元和二维面阵新型半导体中子探测器不但具有重要的科学研究价值，而且具有广阔的应用领域和产业前景。

国外早在二十世纪30年代就已经开始了基于硅(Si)器件的中子能谱测量技术的研究工作，到1960年已经基本上明确了中子能谱测量的所有原理方法，此后的发展方向就是拓宽能谱测量范围、提高探测器的探测效率和提高能量分辨率。硅(Si)器件具有对带电粒子的能量分辨率高、探测效率高、时间响应快、线性范围宽以及体积小等优点。但Si器件却有以下难以克服的缺点：a)对辐射损伤灵敏，受一定强度粒子辐照后(快中子注量为10⁹/cm²)漏电流、分辨率等性能逐渐变差，甚至完全失效(快中子注量为10¹²/cm²)；b)Si器件一般在室温或低温条件下工作，无法胜任在高温(>500℃)条件下的测量工作；c)Si器件容易被击穿，工作偏压一般小于200V。

由于始终无法解决探测器耐辐照的问题，到上世纪90年代以后，基于Si器件的夹心中子探测器的研究及应用基本没有发展。近十余年来，随着4H-SiC材料生长的蓬勃发展，美国的Cree、中国的天科合达等公司均已研发出高纯度的4H-SiC晶体材料生长能力[E.V.Kalinina,N.B.Strokan,A.M.Ivanov.High-Temperature Nuclear-Detector Arrays Based on 4H-SiC Ion-Implantation-Doped p+–n Junctions，ISSN 1063-7826,Semiconductors,2008,42(1):86–91，靳根,陈法国,杨亚鹏.耐高温耐辐射的碳化硅半导体探测器[J].核电子学与探测技术,2010,30(07):909-912.]。特别是最近几年来，国内少数几家 单位已掌握了低N掺杂4H-SiC同质外延层生长技术、以及肖特基接触和欧姆接触制作等工艺技术。金刚石薄膜器件同样耐辐照，但是，晶体管的制作非常困难，价格也很高。

从目前技术角度看，无论是SiC还是金刚石，在材料质量、器件制作、大面积生长以及制作成本方面存在很多问题，尤其是在制作面阵型探测器方面。

技术实现要素：

为了解决上述现有技术的不足，本发明提供一种大面积水平耗尽型中子探测器和该中子探测器的制备方法，该中子探测器具有高效率、耐辐射、低成本等优点，并且该方法能够解决制备大面积面阵型探测器的技术难题。

根据本发明的一方面，提供一种制备大面积水平耗尽型中子探测器，所述中子探测器包括：基底；吸收层，位于基底上，吸收层由CuInSe₂制成；CdS层，位于吸收层上并且与吸收层形成异质结，CdS层包括暴露吸收层的至少一部分的第一接触孔；ZnO层，位于CdS层上，并且包括与第一接触孔对应且暴露CdS层的至少一部分的第二接触孔；第一电极，与ZnO层接触；第二电极，通过第一接触孔和第二接触孔与吸收层接触，并且与第一电极隔开预定距离。

根据本发明的示例性实施例，所述吸收层的厚度可以为5μm-10μm，所述CdS层的厚度可以为50nm-100nm，所述ZnO层的厚度可以为50nm-100nm。

根据本发明的示例性实施例，所述第一电极和第二电极之间的预定距离可以为20μm-40μm。

根据本发明的示例性实施例，所述中子探测器中包括的第一电极和第二电极的个数分别可以为多个，并且第一电极和第二电极交替布置。

根据本发明的示例性实施例，所述基底可以为钠钙玻璃基底。

根据本发明的另一方面，提供一种大面积水平耗尽型中子探测器的制备方法，所述方法包括：共蒸镀或者溅射-硒化在基底上形成吸收层，吸收层由CuInSe₂制成；在吸收层上形成CdS层；在CdS层上形成ZnO层；在ZnO层的一部分上形成第一电极；形成第二电极，第二电极与第一电极之间隔开预定距离，其中，吸收层与CdS层形成异质结。

根据本发明的示例性实施例，形成第一电极的步骤可以包括：在ZnO层上涂覆光刻胶；对光刻胶进行曝光和显影，以暴露ZnO层的一部分；在ZnO层的 暴露的部分上形成第一电极。

根据本发明的示例性实施例，形成第二电极的步骤可以包括：在ZnO层中形成暴露CdS层的至少一部分的第二接触孔；在CdS层的第二接触孔暴露的部分中形成暴露吸收层的至少一部分的第一接触孔；在吸收层的第一接触孔和第二接触孔暴露的部分上形成第二电极。

根据本发明的示例性实施例，所述吸收层的厚度可以为5μm-10μm，所述CdS层的厚度可以为50nm-100nm，所述ZnO层的厚度可以为50nm-100nm。

根据本发明的示例性实施例，所述第一电极和第二电极之间的预定距离可以为20μm-40μm。

根据本发明的示例性实施例，所述中子探测器中包括的第一电极和第二电极的个数分别可以为多个，并且第一电极和第二电极交替布置。

本发明采用诸如CuInSe₂的吸收层/CdS层替代SiC来制备耐辐照的中子探测器，一方面可以降低成本，另一方面可以克服大面积面阵型探测器制作上的难题。另外，诸如CuInSe₂的吸收层/CdS层与SiC、金刚石等材料相比，具有禁带宽且禁带宽度可调的特点，适合于制作高辐照条件下的电子学器件，并且给高性能中子探测器面阵的发展带来新的希望。

附图说明

图1示出根据本发明的示例性实施例的大面积水平耗尽型中子探测器的结构示意图；

图2A至图2E是示出根据本发明的示例性实施例的制备大面积水平耗尽型中子探测器的工艺流程图；

图3A至图3K是示出根据本发明的示例性实施例的制备大面积水平耗尽型中子探测器的示例的工艺流程图。

具体实施方式

下面将参照附图详细地描述本发明的示例性实施例。

以下将结合附图来详细描述本发明的示例性实施例，然而，附图只是示意性地示出了本发明的具体示例，且不具有限制作用。然而，本领域技术人员应理解的是，在不脱离本发明的权利要求所限定的保护范围的情况下，可以对其 进行各种修改和变形。

CuInSe₂是一种重要的硫属半导体光电薄膜，可以与CdS等化合物结合制备多晶薄膜太阳能电池。可以通过调节CuInSe₂材料的粒子尺度、化学组成和化学计量比等来调节带隙宽度，即粒子吸收范围，并且与带电粒子吸收有关的半导体带边的特点对带电粒子吸收更加有利，使得探测器工作更加稳定，寿命较长。为了获得对α粒子产生的电荷的高效率收集，本申请将CdS/CuInSe₂材料应用于半导体中子探测器件中。

在下文中，将参照图1详细地描述本发明的大面积水平耗尽型中子探测器。

图1是示出了根据本发明的示例性实施例的大面积水平耗尽型中子探测器的结构示意图。

参照图1，根据本发明的示例性实施例的大面积水平耗尽型中子探测器100包括基底110、吸收层120、CdS层130、ZnO层140、第一电极150和第二电极160。

基底110可以是钠钙玻璃、低Fe玻璃、浮法玻璃或其它适合的玻璃。优选地，基底110可以是钠钙玻璃。

吸收层120形成在基底110上，吸收层120由CuInSe₂形成。另外，吸收层120可以是p-CuInSe₂层，也可以通过掺入一定的Ga，从而形成p-CuInGaSe₂层。另外，吸收层120的厚度可以为5-10μm。

CdS层130形成在吸收层120上，并且与吸收层120形成异质结。通过CdS层130和吸收层120形成异质结能够获得内建电场，从而收集α粒子轰击CuInSe₂所产生的电荷。CdS层130还包括第一接触孔，以暴露吸收层120的至少一部分。另外，CdS层130的厚度可以为50nm-100nm。

ZnO层140形成在CdS层130上，并且还包括与第一接触孔对应且暴露CdS层130的至少一部分的第二接触孔。另外，ZnO层140的厚度可以为50nm-100nm。

第一电极150(可以称为“负极”)形成在ZnO层140的一部分上。第二电极160(可以称为“正极”)通过第一接触孔和第二接触孔形成在吸收层120上，并且第二电极160和第一电极150之间隔开预定距离。例如，第二电极160和第一电极150之间的预定距离可以为20μm-40μm，然而本发明不限于此。通过将第二电极160和第一电极150设置为隔开预定距离可以调控电荷的漂移时间， 并且使中子探测器具有高响应速度。另外，中子探测器100的第一电极150和第二电极160的个数可以为多个，并且第一电极150和第二电极160交替地布置，以使本发明的中子探测器具有梳状的电极对。另外，第一电极150和第二电极160可以为Al电极，但是本发明不限于此。

根据本发明，通过在中子探测器中利用诸如CuInSe₂的吸收层和CdS层形成pn结，在反向偏压下器件将处于水平完全耗尽状态，探测器将可以探测到以6LiF等转换材料产生的高能α粒子轰击引起的电荷脉冲；而且探测器的正负极分别可以由相聚几十微米的梳状电极对所构成，通过改变梳状电极对的间距，将可以调控电荷的漂移时间，而且具有高响应速度的优点。

下面将结合图2A至图2E详细地描述本发明的大面积水平耗尽型中子探测器的制备方法。

图2A至图2E是示出根据本发明的示例性实施例的大面积水平耗尽型中子探测器的制备工艺流程图。

根据本发明的制备大面积水平耗尽型中子探测器的方法包括：在基底110上形成吸收层120；在吸收层120上形成CdS层130；在CdS层130上形成ZnO层140；在ZnO层140的一部分上形成第一电极150；形成第二电极160。

具体地，如图2A所示，可以通过在基底110上共蒸镀分别包括Cu、In和Se的材料来形成吸收层120。例如，吸收层120由CuInSe₂形成。在本实施例中，吸收层120的厚度可以为5-10μm。

接着，如图2B所示，可以通过沉积在吸收层120上形成CdS层130。例如，可以在吸收层120上沉积CdS材料来形成CdS层130。在本实施例中，CdS层130的厚度可以为50nm-100nm。

然后，如图2C所示，可以通过溅射在CdS层130上形成ZnO层140。例如，可以通过在CdS层130上溅射ZnO材料来形成ZnO层140。在本实施例中，ZnO层140的厚度可以为50nm-100nm。

接着，如图2D所示，可以通过溅射在ZnO层140的一部分上形成第一电极150。在本实施例中，可以通过在ZnO层140上涂覆光刻胶，之后对光刻胶进行曝光和显影，以暴露ZnO层的一部分，然后通过溅射在ZnO层140的暴露的部分上形成第一电极150。可以通过在ZnO层140上溅射诸如Al的材料来形成第一电极150。另外，可以在ZnO层140上形成多个第一电极150，但是本发 明的第一电极150的个数不受具体限制。在本实施例中，第一电极150的厚度可以为3μm。

然后，如图2E所示，部分地去除CdS层130和ZnO层140，以形成能够使吸收层120暴露的第一接触孔和第二接触孔；接着，在吸收层120的第一接触孔和第二接触孔暴露的部分上形成第二电极160，并且第二电极160和第一电极150之间隔开预定距离。例如，第二电极160和第一电极150之间的预定距离可以为20μm-40μm，然而本发明不限于此。通过将第二电极160和第一电极150设置为隔开预定距离可以调控电荷的漂移时间，并且使中子探测器具有高响应速度。在本实施例中，可以在与形成第一电极150的条件相似的条件下形成第二电极160，即，可以通过在吸收层120上溅射诸如Al的材料来形成第二电极160。另外，可以在吸收层120上形成多个第二电极160，只有第二电极160与第一电极150交替地布置即可。

下面将结合图3A至图3K对本发明的制备大面积水平耗尽型中子探测器的方法的具体示例进一步说明，但是本发明的制备大面积水平耗尽型中子探测器的方法不限于此。

示例：

依次按照以下步骤制备大面积水平耗尽型中子探测器。

如图3A所示，可以将诸如钠钙玻璃的基底110放置在500℃的样品台上，之后打开Cu源炉(温度为1210℃)、In源炉(温度为765℃)和Se源炉(温度为210℃)，对基底110进行共蒸镀1h，以在基底110上形成p-CuInSe₂吸收层120。

接着，如图3B所示，可以在大约80℃的温度下将上述样品放置在CdSO₄和硫脲以及氨水的溶液中，沉积大约9min之后，用去离子水进行冲洗并用氮气吹干，从而在吸收层120上形成CdS层130。

然后，如图3C所示，将样品放置在溅射装置中，调节氧气流量为2sccm，氩气流量为20sccm，溅射气压为0.1Pa，在ZnO靶溅射功率为440W的条件下对样品执行预溅射10min，之后在ZnO靶溅射功率为220W的条件下对样品执行溅射5min，从而在CdS层130上形成ZnO层140。

然后，如图3D所示，将正性光刻胶(例如，型号为AZ5214)滴在样品的表面上，在转速为3000rmp的条件下旋涂40s，然后在120℃下加热2min，待冷 却至室温时对样品进行曝光(时间可以为50s)和显影(时间可以为60s)，最后用去离子水冲洗并与氮气吹干，从而在ZnO层140上得到具有多个凸起的掩模。

接着，如图3E所示，在真空度为5×10^-3Pa，电子枪束流为200mA，蒸发速度为30埃/秒的条件下，对样品进行蒸发17min，以在掩模的凸起之间(即，ZnO层140的暴露的部分)间隔地形成3μm厚的铝膜以作为第一电极150。

然后，如图3F所示，将样品放置在去胶液(例如，丙酮)中浸泡10min，并用无水乙醇浸泡2min，最后用去离子水冲洗并用氮气吹干，以去除ZnO层140上的掩模。

然后，如图3G所示，可以将样品放置在含有0.1wt％的稀盐酸溶液中刻蚀25s，以去除ZnO层140中的未被第一电极150覆盖的部分，从而得到第二接触孔。

接着，如图3H所示，在CdS层130的第二接触孔暴露的表面上形成具有多个凸起的掩模。该步骤与在ZnO层140上形成掩模的工艺相似，将不在此进行赘述。

接着，如图3I所示，利用光刻工艺，去除CdS层130的暴露部分，以得到第一接触孔。该步骤与在ZnO层140中形成第二接触孔的工艺相似，将不在此进行赘述。

然后，如图3J所示，在吸收层120的第一接触孔和第二接触孔暴露的部分上形成第二电极160。该步骤与蒸镀第一电极150的工艺相似，将不在此进行赘述。另外，第一电极150和第二电极160之间的距离可以在20μm-40μm的范围内。

最后，如图3K所示，去除CdS层130上的掩模，从而得到中子探测器100。该步骤与去除ZnO层140上的掩模的工艺相似，将不在此进行赘述。

通过本发明的方法制备得到的中子探测器不仅具有高效率、耐腐蚀和低成本等优点，而且还能够克服制备大面积面阵型探测器的难题。

此外，本申请的中子探测器件中利用诸如CuInSe₂的吸收层/CdS层，不但可以实现Si和SiC等材料的功能，而且兼具了Si的大面积制作和SiC的耐高温耐辐照特性，给高温高辐照下的高性能固态中子探测器带来新的发展。