[發明專利]基于碳化硅結型場效應管的β輻照探測器

有效

• 申請號: 201010278832.1
• 申請日: 2010-09-09
• 公開（公告）號: CN102074611A
• 公開（公告）日: 2011-05-25
• 發明（設計）人: 郭輝;洪樸;張玉明;張義門;程和遠;詹曉偉
• 申請（專利權）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: H01L31/119
• 分類號: H01L31/119;H01L31/0352;G01T1/24;H01L31/18
• 代理公司: 陜西電子工業專利中心 61205
• 代理人: 王品華;朱紅星

技術領域

本發明屬于微電子領域，尤其涉及到一種基于碳化硅結型場效應晶體管結構的β射線輻照探測器，可用于核能中β射線電離輻射探測領域。

技術背景

半導體輻射探測器是繼氣體探測器，閃爍體探測器之后發展起來的一種新型的先進的探測器。其基本原理是采用半導體工藝，如蒸發，擴散，離子注入等，在半導體基片上，通過在反向偏壓的工作條件下制成較厚的耗盡層或擴散區，用來探測入射射線或帶電粒子。現有的半導體輻射探測器都是基于Si，GaAs材料的二極管和PIN管等結構，主要用在探測α粒子、β射線和中子等。

半導體輻射探測器對材料有很高的要求，一般認為應該具有以下的特性：

(1)較大的禁帶寬度，保證探測器工作時，具有較高的電阻率和較低的漏電流；

(2)良好的工藝性能，容易制得純度高，完整性好的晶體，同時具有良好的機械性能和化學性能，便于進行機械加工，容易制作成勢壘接觸或歐姆接觸；

(3)優異的物理性能，能耐較高的反向偏壓，反向電流小，正向電流也小；同時材料中載流子的遷移率-壽命積要大，確保探測器具有良好的能量分辨率。傳統的Si、GaAs結型場效應晶體管器件已不太適合核輻射探測等領域，是因為這些器件的熱導率低、擊穿電壓較低、功率密度低、抗輻照性能不佳。為了滿足在國防及醫療領域對高性能，高可靠性半導體輻射探測器的需求，需要開發基于新型半導體材料的輻射探測器。

半導體材料的SiC具有寬禁帶寬度(2.6～3.2eV)、高飽和電子漂移速度(2.0×10⁷cm·s^-1)、高擊穿電場(2.2MV·cm^-1)、高熱導率(3.4～4.9W·cm^-1·K^-1)等性能，并且具有較低的介電常數，這些特性決定了其在高溫、高頻、大功率半導體器件、抗輻射、數字集成電路等方面都存在極大的應用潛力。具體地說，就是SiC材料的寬帶隙決定了其器件能在相當高的溫度下(500℃)工作，再加上它的原子臨界位移能大，這使得SiC器件有著好的抗輻照能力，尤其是在高溫和輻照并存的情況下，SiC器件成了唯一的選擇。因此基于SiC材料的抗輻射半導體器件在輻射探測領域將會有更好的應用前景。

文獻《JFET?optical?detectors?in?the?charge?storage?mode》介紹的J.M.SHANNON，JAN?LOHSTROH等人提出的Si結型場效應管結構的探測器。

文獻“Nuclear?Instruments?and?Methods?in?Physics?Research?A?583(2007)157-161”《Silicon?carbide?for?UV，alpha，beta?and?X-ray?detectors：Results?and?perspectives》介紹了意大利的Francesco?Moscatelli提出的SiC肖特基結構的β探測器，但是肖特基勢壘結構的探測器的制作工藝不適合在單片上的集成，探測范圍較小，無法滿足低劑量射線探測的需求，進而提出了采用容易單片集成的場效應晶體管制作探測器的設想，來解決無法集成的問題。

結型場效應管由于是多子器件，本身具有極強的抗輻射性能，且和雙極晶體管及MOS工藝兼容，有利于集成。文獻《Design?and?Process?Issues?of?Junction?and?Ferroelectric-Field?Effect?Transistor?in?Silicon?Carbide》中Sang-Mo?Koo介紹了SiC的結型場效應管及其制造工藝，如圖2所示，其結構是半絕緣的N+襯底上是P+外延層，P+外延層上是N+溝道層，在N+溝道層的中間區域是P+柵區，在兩側區域是源漏區，在源、漏和柵區上分別是歐姆接觸的電極。其工藝步驟是在半絕緣的N+襯底上外延一層P+外延層，然后在P+外延層上外延N+溝道，接著通過離子注入P雜質形成重摻雜的P+柵區，然后分別在源、漏及柵區制作歐姆接觸的電極。但是這種結構由于沒有涉及緩沖層，因而在核射線照射下，入射的射線會造成表面陷阱效應，吸收溝道中的載流子數目，減小溝道電流，削弱器件的探測能力，因而不適合制作輻照探測器。

發明內容

本發明的目的在于克服上述已有技術的不足，提出了基于一種包含了雙緩沖層的碳化硅結型場效應管的β輻照探測器及其制作方法，利用SiC材料在輻照方面的獨特優勢，通過設置緩沖層，減少核輻照射線對器件的表面陷阱效應的影響，減少對溝道中載流子數目的影響，增強探測器的探測能力。