[發明專利]基于碳化硅PIN二極管結構的β輻照閃爍體探測器

有效

• 申請號: 201610202811.9
• 申請日: 2016-04-01
• 公開（公告）號: CN105738939B
• 公開（公告）日: 2019-03-08
• 發明（設計）人: 郭輝;劉博睿;張玉明;陳小青;張晨旭
• 申請（專利權）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: G01T1/203
• 分類號: G01T1/203
• 代理公司: 陜西電子工業專利中心 61205
• 代理人: 王品華;朱紅星

本發明公開了一種基于碳化硅PIN二極管結構的β射線閃爍體探測器及其制作方法，主要解決現有技術探測率低、不利于集成、抗輻射性差的問題。本發明的碳化硅PIN二極管型β射線探測器自下而上包括N型歐姆接觸電極(8)、N型SiC襯底(7)、N型緩沖層(6)、摻雜濃本征吸收層(5)；該本征吸收層(5)中間區域開有窗口，窗口內埋入塑料閃爍體(1)，窗口內部區域及窗口上方淀積有一層SiO₂反射層(2)，本征吸收層(5)兩側上方為P⁺薄層(4)，P⁺薄層(4)上方為P型歐姆接觸電極(3)。該β射線探測器探測率高，利于集成，抗輻射型好，可用于核能中對β射線的探測。

技術領域

本發明屬于微電子技術領域，尤其涉及一種β射線閃爍體探測器，可用于β射線電離輻射探測領域。

背景技術

固體β射線探測器大體可以分為半導體型和閃爍型兩種。閃爍體探測器是目前應用最多，最廣泛的電離輻射探測器之一，其工作原理是利用電離輻射在某些物質中產生的閃光來進行探測的。閃爍體材料具有探測效率高、分辨時間短、使用方便、適用性廣等特點。

傳統的Si，GaAs等材料由于其熱導率較低、擊穿電壓較低、功率密度低、抗輻照性能不佳。因此，為了得到高性能高可靠性的探測器，需要設計新型半導體材料的輻射探測器。

半導體材料的SiC具有2.6eV～3.2eV較寬的禁帶寬度、2.0×10⁷cm·s^-1的高飽和電子漂移速度、2.2MV·cm^-1的高擊穿電場、3.4W·cm^-1～4.9W·cm^-1的高熱導率等性能，并且具有較低的介電常數，這些性質決定了其在高溫、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器件能在500℃這樣相當高的溫度下工作，并且在高溫下暗電流仍然很低，靈敏度高，再加上它的原子臨界位移能大，這使得SiC器件有著很好的抗輻照能力，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“Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 583(2007)157-161”《Silicon carbide for UV，alpha，beta and X-ray detectors：Results andperspectives》介紹了意大利的Francesco Moscatelli提出的SiC肖特基結構的β探測器的設想。這種結構是在碳化硅半絕緣襯底上外延一層p型碳化硅，之后在p型碳化硅上外延一層n型碳化硅，通過n⁺高摻雜形成源漏區，在中間區域形成柵極，如圖1所示。但是這種基于傳統SiC肖特基結構場效應晶體管存在高密度表面陷阱，在SiC材料中，受主表面陷阱俘獲電子形成表面電荷，使一部分電力線終止在表面電荷上，由于在柵漏區高電場作用下，源極流向漏極的電子在經過溝道時會被表面陷阱俘獲，從而在表面形成耗盡層，使得電流傳輸的有效溝道厚度變薄，從而影響到了金屬半導體場效應晶體管器件的電學性能。同時當β射線到達探測器表面后，由于受到較厚的柵極金屬層的阻擋，只有部分β射線能進入器件內部。只有進入耗盡區的β粒子才會對電流輸出有貢獻。因此這種較厚的柵極結構導致入射粒子能量損失大，能量轉換效率較低。同時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。

單純pn結型碳化硅伽馬射線探測器，β射線的吸收系數太小，需要厚外延，難度大，而且薄pn結碳化硅β射線探測器探測效率低。

傳統閃爍體發光探測β射線的方法中，閃爍體體積大，不利于集成。

發明內容

本發明的目的在于避免已有技術上的不足，提出一種基于碳化硅PIN二極管的β射線閃爍體探測器，以減小探測器的閃爍體體積，利于集成，并提高探測效率。