一种变掺杂变组分的AlGaNGaN中子探测器的制作方法

本发明涉及核辐射探测技术领域，尤其是一种变掺杂变组分AlGaN/GaN中子探测器。

背景技术：

中子探测器是中子探测的核心部件。基于半导体的中子探测器具有功耗低、线性响应范围宽、响应时间快、n/γ分辨率好、体积小、工作电压低等优点，特别是基于宽带隙半导体材料的中子探测器，可以在许多应用领域替代³He正比计数管、BF₃正比计数管和闪烁体探测器。

GaN作为第三代半导体材料，具有宽带隙、高饱和电子漂移速率、高热导率、高击穿电场和良好的化学稳定性等特点。随着GaN材料的日益成熟，具有耐高温、耐辐照的GaN核辐射探测器受到了人们的关注。近些年来，为了提高GaN核辐射的探测性能，已有研究人员对此进行了研究，制备多种结构的GaN核辐射探测器。2003年，立陶宛维尔纽斯大学制备了基于SI GaN材料的核辐射探测器。2012年，荷兰欧洲空间研究院制备了PIN结构的α粒子和X-ray探测器。2012年，美国俄亥俄州立大学利用自支撑GaN材料制备了肖特基结构的α粒子探测器，探测了将热中子照射到涂有Li₂O的聚四氟乙烯上产生的α粒子, 但上述探测器在一定程度上都存在漏电流较大和载流子收集效率较低的问题。为了解决上述问题，可以在PIN器件结构中的N区采用变掺杂和变组分结构，使有源区厚度展宽且内建电场增大，从而提高载流子收集效率，降低漏电流。这种具有内建电场作用下高收集效率变带隙AlGaN/GaN中子探测器件，在核辐射探测领域具有很好的应用前景。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种变掺杂变组分的AlGaN/GaN中子探测器，以解决上述背景技术中的不足。

本发明的技术方案为：一种变掺杂变组分AlGaN/GaN中子探测器，该探测器为PIN结构，以自支撑n型GaN作为衬底，在衬底上利用金属有机物化学气相沉积技术顺序生长变掺杂变组分n型AlGaN N层、未掺杂GaN I层、p型GaN P层；利用电子束蒸发设备在p型GaN层和n型衬底层分别沉积多层金属并退火处理分别形成p型和n型欧姆接触电极，而后利用光刻及磁控溅射技术在p型电极上溅射¹⁰BC₄形成中子转换层。

一种变掺杂变组分AlGaN/GaN中子探测器，其制备步骤如下：

1）选取自支撑n型GaN材料做衬底，要求其位错密度低于10⁶cm^-2，并且均匀性好，晶向为Ga面（1-110），双面抛光，n型掺杂浓度为5～10×10¹⁸cm^-3，厚度为150～200μm；

2）在步骤1）中获得的n型GaN衬底上，外延生长Si掺杂n型变掺杂变组分AlGaN/GaN PIN结构中的N层，N层厚度为4～8μm，从衬底往外生长时，n型掺杂浓度由1～10×10¹⁸cm^-3按指数递减至5～10×10¹⁶cm^-3，Al组分由0.2～0.3线性递减至0；

3）在步骤2）中获得的N层上继续外延生长厚度为1～3μm的未掺杂的GaN作为PIN结构中的I层；

4）在步骤3）中获得的I层上继续外延生长Mg掺杂厚度为100～500nm的GaN作为PIN结构中的P层，其掺杂浓度为1～5×10¹⁹cm^-3。

所述的p型欧姆接触电极，在步骤4）中获得的p型GaN层上，沉积Ni/Au作为欧姆接触金属，其中Ni的厚度为10～20nm， Au的厚度为50～100nm，而后进行欧姆接触电极退火处理，退火温度为450～550℃，退火时间为600～900s。

所述的n型欧姆接触电极，在n型衬底上，沉积Ti/Al/Ni/Au作为欧姆接触金属，其中Ti的厚度为10～20nm，Al的厚度为30～50nm，Ni的厚度为20～40nm，Au的厚度为50～100nm，而后进行欧姆接触电极退火处理，退火温度为550～650℃，退火时间为400～600s。

所述的中子转换层，中子转换材料为¹⁰B₄C或⁶LiF，厚度为4～6μm；沉积转换层时腔体的本底真空为1～5×10^-5 Pa , 工作压力为1～3Pa，氩气流量为5～20sccm，射频源为100～300W，溅射时间为2000～3000s，反溅偏压为50～150V。

有关本发明的机理、特点和优点:

本发明是一种变掺杂变组分AlGaN/GaN中子探测器。其特点在于，AlGaN/GaN中的Al组分是从0.2~0.3线性渐变到0，组分的变化会引起能带带隙从高渐变到GaN的带隙，在材料内部形成内建电场；同时，AlGaN/GaN和未掺杂的GaN界面也存在一个压电极化电场。两种电场方向一致，可替代一部分外加偏压产生的电场，即减小了探测器的外加偏压。AlGaN/GaN中子探测器工作时，当有中子照射到器件上时，中子转换层中的¹⁰B或⁶Li与中子发生核反应，释放出α粒子。一部分α粒子穿过PIN结构中的I层，电离未掺杂的GaN层，产生电子空穴对；一部分α粒子穿过PIN结构中的I层而后损失能量继续向前运动，到达变掺杂变组分AlGaN N层，电离变掺杂变组分N层，产生电子空穴对。在AlGaN/GaN的内建电场和外加偏压产生的电场作用下，电子被n型衬底收集，空穴被p型GaN收集，从而提高载流子的电荷收集效率，同时也提高了探测器的探测效率。

本发明的优点在于：1、本发明变掺杂变组分AlGaN/GaN中子探测器，具有PIN结构，减小了器件的漏电流，提高了探测效率。2、本发明变掺杂变组分AlGaN/GaN中子探测器，由于内建电场的增加，有源区厚度也随之增加，因而非常有利于载流子的收集，从而提高探测器的灵敏度以及探测效率。

附图说明

变掺杂变组分AlGaN/GaN中子探测器制备过程示意图如图1、图2、图3、图4所示；其中：

图1是利用金属有机化学气相沉积后的图；

图2是制备欧姆接触后的图；

图3是涂负光刻胶并曝光显影后的图；

图4是制备¹⁰BC₄中子转换层后的图。

图中，1、Ga面（1-110）n型衬底， 2、变掺杂变组分N-GaN层，3、I层，4、P-GaN层，5、Ni/Au欧姆接触电极，6、Ti/Al/Ni/Au欧姆接触电极，7、光刻图案，8、¹⁰BC₄中子转换层。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例和附图对本发明作进一步详述，该实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明的保护范围的限定。

变掺杂变组分AlGaN/GaN中子探测器制备方法具体步骤如下：

如图1所示，首先，选取n型GaN衬底1基材，均匀性好，晶向为Ga面（1-110），双面抛光，位错密度小于10⁶cm^-2，n型掺杂浓度为(5～10)×10¹⁸cm^-3，厚度为150μm；其次，采用金属有机物化学气相沉积技术在衬底上先外延生长厚度为6μm、n型掺杂浓度从5×10¹⁸cm^-3按指数递减到5×10¹⁶cm^-3、Al组分含量从0.25线性下降至0的AlGaN层为PIN结构中的N层2；然后生长厚度为1μm的未掺杂GaN层作为I层3；再生长厚度为100nm、掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3的p型GaN层作为PIN结构中的P层4。

如图2所示，利用电子束蒸发设备，在上述获得的P层4上沉积Ni/Au作为欧姆接触金属，其厚度分别为20/50nm，利用快速热退火在500℃空气氛围下退火900s，形成探测器的正面Ni/Au欧姆接触电极5；利用电子束蒸发设备，在n型GaN衬底上沉积Ti/Al/Ni/Au作为欧姆接触金属，其厚度分别为20/50/20/50nm，利用快速热退火在550℃氮气氛围下退火600s，形成探测器背面Ti/Al/Ni/Au欧姆接触电极6。

如图3所示，利用匀胶机在Ni/Au欧姆接触电极5上旋涂一层厚度为6μm的负光刻胶层，而后放入加热温度为90℃的热板上烘烤90s，冷却后取出并放入光刻机位置，利用铬光刻掩模版曝光4s，曝光后的片子放入温度为110℃的热板上烘烤60s，放入负胶显影液显影25s，利用去离子水冲洗并用氮气吹干，再放入温度为120℃的热板上烘烤120s，形成中子转换层的光刻图案7。

如图4所示，利用磁控溅射设备在上述曝光后的光刻图案7上沉积厚度为4μm的¹⁰B₄C作为探测器的中子转换层8。磁控溅射腔体本底真空为1.0×10^-5 Pa , 工作压力为1Pa，氩气流量为10sccm，射频源为200W，溅射时间为2500s，反溅偏压为100V。沉积中子转换层8后，将顶部有光刻胶的AlGaN/GaN材料放入去胶剥离液中，去除AlGaN/GaN薄膜最顶层的残余光刻胶。

最后，利用导电银浆分别涂覆到AlGaN/GaN探测器的正面电极和背面电极，正面电极与镀金的铝外壳粘接，背面电极用铜导线粘接到镀金的铝外壳的BNC接口上，而后放入温度为90℃的加热箱中恒温加热30min，固化银浆，完成中子探测器的装配。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。