一种柔性低增益SiC粒子探测器及其制备方法

本发明涉及半导体探测器，尤其涉及一种柔性低增益sic粒子探测器及其制备方法。

背景技术：

1、sic作为一种第三代半导体材料，具有高于si材料的禁带宽度、饱和漂移速度、击穿电场、临界位移能以及热导率，因此更适合应用于高温、高辐照情况下的最小电离粒子的探测；且si粒子探测器只能在低温下工作，而sic粒子探测器可以在室温下应用。低增益探测器的特点是在其内部实现低增益的雪崩倍增，使其在提高探测效率和灵敏度的同时，提高器件的信噪比，从而获得更高的时间分辨率，目前，有关低增益sic粒子探测器的研究尚未有报道。另外，对于大型探测器而言，其结构复杂且包含大量曲面结构，目前常用的方式为刚性探测器组装成曲面，从组装和探测器的探测效率两方面都大大增加了成本和难度。

2、鉴于此，提出本发明。

技术实现思路

1、本发明提供一种柔性低增益sic粒子探测器及其制备方法，用以解决现有技术中sic粒子探测器在低增益方面研究的不足以及大型探测器结构复杂且包含大量曲面结构时现有刚性探测器在组装和效率方面存在不足的缺陷，实现柔性低增益sic粒子探测器的制备。

2、具体地，本发明提供一种低增益sic粒子探测器，包括：在n型有源区和p型sic欧姆接触层之间设n型掺杂sic作为n+增益层，控制所述n+增益层的掺杂浓度和厚度使所述sic粒子探测器的增益达到14～18倍。

3、根据本发明提供的低增益sic粒子探测器，所述sic探测器由下至上包括：第二金属电极、n型sic欧姆接触层、n型有源区、n+增益层、p型sic欧姆接触层和第一金属电极。

4、优选地，所述n+增益层的掺杂离子为n3-，其掺杂浓度为1×1016cm-3～1×1018cm-3，厚度为0.1μm～1.0μm；

5、本发明通过在n型有源区和p型欧姆接触区之间构造一层较薄的n+增益层，且其为n型高掺杂层，使该探测器内部产生薄型的高电场区，当载流子漂移到该高场区时，产生相对较低的倍增，一方面提高电荷收集效率，另一方面提升粒子探测器的信噪比。

6、本发明中所述第一金属电极和所述第二金属电极的极性相反。

7、根据本发明提供的低增益sic粒子探测器，在所述n型有源区和所述n+增益层之间设n+电荷控制层；

8、所述n+电荷控制层为n型掺杂sic，掺杂离子为n3-，掺杂浓度为1×1017～4×1017cm-3，厚度为0.1μm～0.2μm；

9、所述n+增益层为n型掺杂sic，掺杂离子为n3-，掺杂浓度为1×1016cm-3～1×1017cm-3。

10、根据本发明提供的低增益sic粒子探测器，所述sic探测器由下至上为：第二金属电极、n型sic欧姆接触层、n型有源区、n+增益层、p型sic欧姆接触层和第一金属电极；所述n+增益层的掺杂浓度为1×1017cm-3～1×1018cm-3，优选为1×1017cm-3～4×1017cm-3。

11、根据本发明提供的低增益sic粒子探测器，由具有层状结构的云母基底制备，且在得到所述sic粒子探测器前该云母基底被完全剥离用于使所述sic粒子探测器具备弯曲性能；

12、优选地，所述sic粒子探测器的曲率半径为3～8mm；

13、更优选地，所述sic粒子探测器能承受至少1万次的弯曲次数。

14、本发明sic粒子探测器所形成的无基底约束结构，不受基底的夹持效应，形成了柔性sic粒子探测器，在弯曲时，其曲率半径可达到3mm～8mm，而且可以承受至少1万次的反复弯曲，能够适应不同曲率的弯曲，提高探测器的灵活度，节省组装成本。

15、根据本发明提供的低增益sic粒子探测器，所述n型有源区的掺杂离子为n3-，掺杂浓度为1×1013cm-3～1×1014cm-3。

16、根据本发明提供的低增益sic粒子探测器，所述n型sic欧姆接触层为n型重掺杂sic半导体材料用于实现欧姆接触和载流子传输；和/或，所述p型sic欧姆接触层为p型重掺杂sic半导体材料用于实现欧姆接触和载流子传输；

17、优选地，所述n型sic欧姆接触层的掺杂离子为n3-，掺杂浓度为5×1018cm-3～5×1020cm-3；和/或，所述p型sic欧姆接触层的掺杂离子为al3+或者b3+，掺杂浓度为5×1018cm-3～5×1020cm-3。

18、根据本发明提供的低增益sic粒子探测器，还包括钝化层；

19、优选地，所述钝化层的材质为sio2，厚度为300nm～500nm。

20、本发明还提供如上所述的低增益sic粒子探测器的制备方法，包括：在n型有源区和p型sic欧姆接触层之间采用外延生长得到由n型掺杂sic构成的n+增益层，且控制所述n+增益层的掺杂浓度和厚度；

21、优选地，包括：

22、基底清洗干燥；

23、n型欧姆接触层生长；

24、n型有源区生长；

25、n+增益层生长；

26、p型欧姆接触层生长；

27、制作第一金属电极；

28、制作钝化层和金属pad；

29、制作第二金属电极。

30、根据本发明提供的低增益sic粒子探测器的制备方法，包括：

31、云母基底清洗干燥；

32、n型欧姆接触层生长；

33、n型有源区生长；

34、n+增益层生长；

35、p型欧姆接触层生长；

36、制作第一金属电极；

37、制作钝化层和金属pad；

38、完全剥离所述云母基底；

39、制作第二金属电极；

40、本发明中的云母基底在范德瓦尔斯(vdw)外延的前提下，层内相互作用强，层间相互作用弱。由于这种弱vdw层间相互作用，可以对云母基底进行机械剥离、抛光而完全去除，从而在该云母基底层外延生长的探测器结构可以实现无基底约束状态，得到柔性器件。

41、其中，所述云母基底的材质可以为化学式为x2ynz8o20(oh,f)4所示的云母片材；其中，x代表层间阳离子，如k+、na+和ca+中的一种以上，y代表八面体配位元素，如al3+、mg2+、fe3+和li+中的一种以上，z表示四面体配位元素，如si4+和/或al3+。

42、优选地，所述完全剥离是采用机械剥离的方式进行；机械剥离包括使用刀片、胶带、打磨等方式将云母基底彻底从整个探测器底端去除。

43、为了适应采用外延方式生长得到的sic粒子探测器，更优选地，所述云母基底的材质为氟金云母，其化学式为kmg3(alsi3o10)f2。

44、本发明提供的一种柔性低增益sic粒子探测器，通过在n型有源区和p型sic欧姆接触层之间设n型掺杂sic作为n+增益层，控制所述n+增益层的掺杂浓度和厚度使所述sic粒子探测器的增益达到14～18倍，非常适合探测、跟踪和鉴别电子、质子、中子、x射线、α、β和γ放射线以及mips等粒子。

45、本发明提供的一种柔性低增益sic粒子探测器，还通过具有层状结构的云母基底制备，且在得到所述sic粒子探测器前该云母基底被完全剥离用于使所述sic粒子探测器具备优异的弯曲性能，特别适用于大型曲面低增益sic粒子探测器。

46、本发明提供的一种柔性低增益sic粒子探测器的制备方法，通过外延生长得到由n型掺杂sic构成的n+增益层，且控制所述n+增益层的掺杂浓度和厚度实现低增益sic粒子探测器的制备。

47、本发明提供的一种柔性低增益sic粒子探测器的制备方法，通过先在云母基底生长得到探测器层结构，再完全剥离云母的方式实现了柔性低增益sic粒子探测器的制备。