基于高阻ZnO单晶的光电导型X射线探测器及其制备方法

基于高阻ZnO单晶的光电导型X射线探测器及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于高阻ZnO单晶的光电导型X射线探测器，包括ZnO单晶基片，ZnO单晶基片的上表面镀有上电极及环形结构的保护环，上电极位于保护环的中部，保护环与上电极之间有均匀间隙，ZnO单晶基片的下表面镀有下电极，上电极及保护环自上到下依次均包括第一Al膜层及第一AZO膜层，下电极自上到下依次包括第二AZO膜层及第二Al膜层；相应的，本发明还提供了一种基于高阻ZnO单晶的光电导型X射线探测器的制备方法，本发明制备的基于高阻ZnO单晶的光电导型X射线探测器耐高压性强，同时具有低噪声的特性，并且成本低。
【专利说明】基于高阻ZnO单晶的光电导型X射线探测器及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于半导体核辐射探测器件领域，具体涉及一种基于高阻ZnO单晶的光电导型X射线探测器及其制备方法。
【背景技术】
[0002]随着核技术在能源、核安全、医疗以及航天等应用领域的不断发展，传统气体探测器、固态闪烁体探测器以及窄禁带半导体结型探测器在材料和器件技术两方面面临提高灵敏度和寿命、可实现室温及更宽工作温区、减小体积以及降低成本等诸多挑战，该领域迫切需求能够满足特定要求的新型辐射探测材料和器件的探索研究及应用开发。美国OakRidge国家实验室、Lawrence Livermore国家实验室以及Pacific Northwest国家实验室和相关大学机构正在积极开展各种新型宽禁带半导体探测方法以代替传统器件技术。国内近年来先进固态核辐射探测技术相关基础研究报道也逐渐增加，新型半导体核探测材料和器件实现技术开始受到了较多关注。
[0003]和传统的S1-PIN、高纯Ge以及CdZnTe探测器相比，由于具有更宽的带隙、更强的抗辐照特性以及更高的击穿电场强度等显著特性，金刚石、SiC、GaN等宽带隙半导体材料及其辐射探测器件逐渐受到辐射探测领域的关注。国际上人工金刚石辐射探测器件主要基于近年来人工自支撑金刚石薄膜技术进步，国内西北核技术研究所、清华大学、上海大学等单位近年来也开展了薄膜型金刚石探测器的有益探索。但是核辐射探测器级金刚石人工晶体制备的成本十分昂贵，这在很大程度上限制了金刚石探测器在更广泛领域的应用发展。事实上，SiC、GaN也存在类似的问题，宽禁带半导体辐射探测器应用研究目前面临着探测器级晶体材料生长及其结构特性等应用基础研究问题。

【发明内容】

[0004]本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种基于高阻ZnO单晶的光电导型X射线探测器及其制备方法，该探测器件耐高压性强，同时具有低噪声的特性，并且成本低。
[0005]为达到上述目的，本发明所述的基于高阻ZnO单晶的光电导型X射线探测器包括ZnO单晶基片，ZnO单晶基片的上表面镀有上电极及环形结构的保护环，上电极位于保护环的中部，保护环与上电极之间有均匀间隙，ZnO单晶基片的下表面镀有下电极，上电极及保护环自上到下依次均包括第一 Al膜层及第一 AZO膜层，下电极自上到下依次包括第二 AZO膜层及第二 Al膜层。
[0006]所述间隙的宽度为150 U m。
[0007]所述第一 AZO膜层的厚度与第二 AZO膜层的厚度均为30nm ；
[0008]所述第一 Al膜层的厚度与第二 Al膜层的厚度均为lOOnm。
[0009]相应的，本发明还提供了一种基于高阻ZnO单晶的光电导型X射线探测器的制备方法，包括以下步骤:[0010]I)将ZnO单晶基片放置到烧杯中，在超声环境中依次放置到丙酮、乙醇和去离子水中各lOmin，然后通过氮气吹干；
[0011]2)将步骤I)得到的ZnO单晶基片进行热处理，然后在ZnO单晶基片(I)的上表面进行旋转涂胶、曝光及显影后，在ZnO单晶基片的上表面采用溅射的方法依次镀第一 AZO膜层及第一 Al膜层，得样品，其中热处理过程中的温度为1000?1200°C ；
[0012]3)将步骤2)得到的样品进行去胶处理，然后通过溅射的方法在ZnO单晶基片的下表面依次镀第二 AZO膜层及第二 Al膜层，得基于高阻ZnO单晶的光电导型X射线探测器。
[0013]步骤2)中对ZnO单晶基片进行热处理的过程为:将ZnO单晶基片放置到高温炉中，加热至1000?1200°C，同时往高温炉中通入流量40SCCm的氩气及流量为IOsccm的氧气，使高温炉内的气压为900?llOOPa，并保持60min ；
[0014]步骤2)中在ZnO单晶基片的上表面进行旋转涂胶的处理过程为:采用甩胶机将型号为KMPC 5315的正性光刻胶涂抹在ZnO单晶基片的上表面，其中甩胶机在甩胶的过程中先以转速为900?IlOOrpm甩胶15s，然后以转速为2500?3500rpm甩胶50s ；
[0015]步骤2)中在ZnO单晶基片的上表面进行曝光及显影的处理过程为:将旋转涂胶处理后的ZnO单晶基片放置到紫外光下50?100s，然后采用型号为KMP PD238-1I的正胶显影液显影40?50s。
[0016]步骤2)中采用溅射的方法在ZnO单晶基片上表面镀第一 AZO膜层的具体操作过程为:将ZnO单晶基片放置到真空度大于3.0X 10_4Pa的环境中，然后通入流量为IOsccm的Ar气体，再用AZO陶瓷靶材溅射15min，溅射的气压为0.9?1.0Pa，溅射功率为50W。
[0017]步骤2)中采用溅射的方法在第一 AZO膜层上镀第一 Al膜层的具体过程为JfZnO单晶基片放置到真空度大于3.0X 10_4Pa环境中，然后通入流量为IOsccm的Ar气体，并采用溅射的方法在第一 AZO膜层上镀第一 Al膜层，其中，溅射气压为1.1?1.2Pa，溅射功率为120W，溅射时间为15min。
[0018]步骤3)中往ZnO单晶基片的下表面镀第二 AZO膜层的过程与往ZnO单晶基片的上表面镀第一 AZO膜层的过程相同。
[0019]步骤3)中往ZnO单晶基片的下表面镀第二 Al膜层的过程与往ZnO单晶基片的上表面镀第一 Al膜层的过程相同。
[0020]本发明具有以下有益效果:
[0021]本发明所述的基于高阻ZnO单晶的光电导型X射线探测器包括ZnO单晶基片，ZnO单晶基片上表面镀有上电极及保护环，从而可以有效的防止上电极被击穿，在制备基于高阻ZnO单晶的光电导型X射线探测器的过程中，通过将ZnO单晶基片放置到1000?1200°C的环境中进行热处理，从而使制备的基于高阻ZnO单晶的光电导型X射线探测器具有高阻特性，通过时采用ZnO单晶基片为基片，有效的降低了制作的成本，由于基于高阻ZnO单晶的光电导型X射线探测器在制作过程中采用多层溅射的方法，因此制备的基于高阻ZnO单晶的光电导型X射线探测器具有耐高压及低噪声的特性。
【专利附图】

【附图说明】
[0022]图1为本发明的结构示意图；
[0023]图2为本发明中ZnO单晶基片I的结构示意图；[0024]图3为本发明中涂I父后ZnO单晶基片I的结构不意图；
[0025]图4为本发明中曝光及显影后ZnO单晶基片I的结构示意图；
[0026]图5为本发明中ZnO单晶基片I的上表面溅射第一 Al膜层3后的结构示意图；
[0027]图6为本发明中去I父后ZnO单晶基片I的结构不意图；
[0028]图7为本发明中ZnO单晶基片I热处理前后的XRD图；
[0029]图8为本发明的暗场输入-输出特性曲线图；
[0030]图9为本发明的脉冲射线响应测试系统原理图；
[0031]图10本发明的脉冲射线响应特性曲线图。
[0032]其中，I为ZnO单晶基片、2为第一 AZO膜层、3为第一 Al膜层、4为第二 AZO膜层、5为第二 Al膜层、6为保护环、7为上电极、8为下电极。
【具体实施方式】
[0033]下面结合附图对本发明做进一步详细描述:
[0034]参考图1及图2，本发明所述的基于高阻ZnO单晶的光电导型X射线探测器包括ZnO单晶基片l，ZnO单晶基片I的上表面镀有上电极7及环形结构的保护环6，上电极7位于保护环6的中部，保护环6与上电极7之间有均匀间隙，ZnO单晶基片I的下表面镀有下电极8，上电极7及保护环6自上到下依次均包括第一 Al膜层3及第一 AZO膜层2，下电极8自上到下依次包括第二 AZO膜层4及第二 Al膜层5，第一 AZO膜层2的厚度与第二 AZO膜层4的厚度均为30nm，第一 Al膜层3的厚度与第二 Al膜层5的厚度均为lOOnm，其中，所述间隙的宽度为150 Pm。
[0035]参考图3、图4、图5、图6，本发明所述的基于高阻ZnO单晶的光电导型X射线探测器的制备方法包括以下步骤:
[0036]I)将ZnO单晶基片I放置到烧杯中，在超声环境中依次放置到丙酮、乙醇和去离子水中各lOmin，然后通过氮气吹干；
[0037]2)将步骤I)得到的ZnO单晶基片I进行热处理，然后在ZnO单晶基片(I)的上表面进行旋转涂胶、曝光及显影后，在ZnO单晶基片I的上表面采用溅射的方法依次镀第一AZO膜层2及第一 Al膜层3，得样品，其中热处理过程中的温度为1000?1200°C ；
[0038]3)将步骤2)得到的样品进行去胶处理，然后通过溅射的方法在ZnO单晶基片I的下表面依次镀第二 AZO膜层4及第二 Al膜层5，得基于高阻ZnO单晶的光电导型X射线探测器。
[0039]步骤2)中对ZnO单晶基片I进行热处理的过程为:将ZnO单晶基片I放置到高温炉中，加热至1000?1200°C，同时往高温炉中通入流量40sccm的氩气及流量为IOsccm的氧气，使高温炉内的气压为900?llOOPa，并保持60min ；
[0040]步骤2)中在ZnO单晶基片I的上表面进行旋转涂胶的处理过程为:采用甩胶机将型号为KMPC 5315的正性光刻胶涂抹在ZnO单晶基片I的上表面，其中甩胶机在甩胶的过程中先以转速为900?IlOOrpm甩胶15s，然后以转速为2500?3500rpm甩胶50s ；
[0041]步骤2)中在ZnO单晶基片I的上表面进行曝光及显影的处理过程为:将旋转涂胶处理后的ZnO单晶基片I放置到紫外光下50?100s，然后采用型号为KMP PD238-1I的正胶显影液显影40?50s。[0042]步骤2)中采用溅射的方法在ZnO单晶基片I的上表面镀第一 AZO膜层2的具体操作过程为:将ZnO单晶基片I放置到真空度大于3.0X 10_4Pa的环境中，然后通入流量为IOsccm的Ar气体，再用AZO陶瓷靶材溅射15min，溅射的气压为0.9~1.0Pa，溅射功率为50W。
[0043]步骤2)中采用溅射的方法在第一 AZO膜层2上镀第一 Al膜层3的具体过程为:将ZnO单晶基片I放置到真空度大于3.0X KT4Pa环境中，然后通入流量为IOsccm的Ar气体，并采用溅射的方法在第一 AZO膜层2上镀第一 Al膜层3，其中，溅射气压为1.1~1.2Pa，溅射功率为120W，溅射时间为15min。
[0044]步骤3)中往ZnO单晶基片I的下表面镀第二 AZO膜层4的过程与往ZnO单晶基片I的上表面镀第一 AZO膜层2的过程相同。
[0045]步骤3)中往ZnO单晶基片I的下表面镀第二 Al膜层5的过程与往ZnO单晶基片I的上表面镀第一 Al膜层3的过程相同。
[0046]由图7可知，经过热处理后的ZnO单晶基片I在沿C轴方向具有良好的结晶质量，同时经检测经热处理后的ZnO单晶基片I可以实现IO8-1O9Q 高阻特性；参考图8在给本发明制备的基于高阻ZnO单晶的光电导型X射线探测器的正负极之间施加电压时，ZnO单晶基片I和AZ0/A1电极间形成良好的欧姆接触。基于闻阻ZnO单晶的光电导型X射线探测器在200V的偏压下，暗电流为12.4 iiA，单晶的电阻率为2X108Q -cm ;参考图9，将基于高阻ZnO单晶的光电导型X射线探测器与阻值为270kQ的采样电阻串联，在串联结构两端并接IuF的MPP保护电容，示波器采用IMQ交流耦合，从采样电阻上获得信号波形；参考图10，基于高阻ZnO单晶的光电导型X射线探测器在响应波形衰减过程服从指数规律Vsignal=V0 ? exp (-t/ T )，下降时间为 160 U S。
【权利要求】
1.一种基于高阻ZnO单晶的光电导型X射线探测器，其特征在于，包括ZnO单晶基片(l)，ZnO单晶基片⑴的上表面镀有上电极(7)及环形结构的保护环(6)，上电极(7)位于保护环(6)的中部，保护环(6)与上电极(7)之间设为均匀间隙，ZnO单晶基片⑴的下表面镀有下电极(8)，上电极(7)及保护环(6)自上到下依次均包括第一 Al膜层(3)及第一AZO膜层(2)，下电极(8)自上到下依次包括第二 AZO膜层(4)及第二 Al膜层(5)。
2.根据权利要求1所述的基于高阻ZnO单晶的光电导型X射线探测器，其特征在于，所述间隙的宽度为150 iim。
3.根据权利要求1所述的基于高阻ZnO单晶的光电导型X射线探测器，其特征在于， 所述第一 AZO膜层(2)的厚度与第二 AZO膜层(4)的厚度均为30nm ； 所述第一 Al膜层(3)的厚度与第二 Al膜层(5)的厚度均为lOOnm。
4.一种基于高阻ZnO单晶的光电导型X射线探测器的制备方法，基于权利要求1所述的所述的器件，其特征在于，包括以下步骤: 1)将ZnO单晶基片(I)放置到烧杯中，在超声环境中依次放置到丙酮、乙醇和去离子水中各lOmin，然后通过氮气吹干； 2)将步骤1)得到的ZnO单晶基片(1)进行热处理，然后在ZnO单晶基片(1)的上表面进行旋转涂胶、曝光及显影后，在ZnO单晶基片(1)的上表面采用溅射的方法依次镀第一AZO膜层(2)及第一 Al膜层(3)，得样品，其中热处理过程中的温度为1000~1200°C ； 3)将步骤2)得到的样品进行去胶处理，然后通过溅射的方法在ZnO单晶基片(I)的下表面依次镀第二 AZO膜层(4)及第二 Al膜层(5)，得基于高阻ZnO单晶的光电导型X射线探测器。
5.根据权利要求4所述的基于高阻ZnO单晶的光电导型X射线探测器的制备方法，其特征在于， 步骤2)中对ZnO单晶基片⑴进行热处理的过程为:将ZnO单晶基片⑴放置到高温炉中，加热至1000~1200°C，同时往高温炉中通入流量40sccm的氩气及流量为IOsccm的氧气，使高温炉内的气压为900~llOOPa，并保持60min ； 步骤2)中在ZnO单晶基片(I)上表面进行旋转涂胶的处理过程为:采用甩胶机将型号为KMPC 5315的正性光刻胶涂抹在ZnO单晶基片⑴的上表面，其中甩胶机在甩胶的过程中先以转速为900~1100rpm甩胶15s，然后以转速为2500~3500rpm甩胶50s ； 步骤2)中在ZnO单晶基片(1)的上表面进行曝光及显影的处理过程为:将旋转涂胶处理后的ZnO单晶基片(1)放置到紫外光下50~100s，然后采用型号为KMP PD238-II的正胶显影液显影40~50s。
6.根据权利要求4所述的基于高阻ZnO单晶的光电导型X射线探测器的制备方法，其特征在于，步骤2)中采用溅射的方法在ZnO单晶基片(1)上表面镀第一 AZO膜层(2)的具体操作过程为:将ZnO单晶基片(1)放置到真空度大于3.0X 10_4Pa的环境中，然后通入流量为IOsccm的Ar气体，再用AZO陶瓷靶材溅射15min，溅射的气压为0.9~1.0Pa,溅射功率为50W。
7.根据权利要求4所述的基于高阻ZnO单晶的光电导型X射线探测器的制备方法，其特征在于，步骤2)中采用溅射的方法在第一 AZO膜层(2)上镀第一 Al膜层(3)的具体过程为:将ZnO单晶基片(1)放置到真空度大于3.0 X 10_4Pa环境中，然后通入流量为IOsccm的Ar气体，并采用溅射的方法在第一 AZO膜层(2)上镀第一 Al膜层(3)，其中，溅射气压为.1.1~1.2Pa，溅射功率为120W，溅射时间为15min。
8.根据权利要求6所述的基于高阻ZnO单晶的光电导型X射线探测器的制备方法，其特征在于，步骤3)中往ZnO单晶基片(I)的下表面镀第二 AZO膜层(4)的过程与往ZnO单晶基片(1)的上表面镀第一 AZO膜层(2)的过程相同。
9.根据权利要求7所述的基于高阻ZnO单晶的光电导型X射线探测器的制备方法，其特征在于，步骤3)中往ZnO单晶基片(I)的下表面镀第二 Al膜层(5)的过程与往ZnO单晶基片(I)的上表面镀第一 Al膜层(3)的过程相同。
【文档编号】H01L31/102GK103794674SQ201410014550
【公开日】2014年5月14日 申请日期:2014年1月13日 优先权日:2014年1月13日
【发明者】贺永宁, 陈亮, 赵小龙, 刘晗, 欧阳晓平 申请人:西安交通大学