[發明專利]一種變摻雜變組分的AlGaNGaN中子探測器

有效

• 申請號: 201710095598.0
• 申請日: 2017-02-22
• 公開（公告）號: CN106711250B
• 公開（公告）日: 2018-04-17
• 發明（設計）人: 湯彬;朱志甫;鄒繼軍;王盛茂;鄧文娟;彭新村
• 申請（專利權）人: 東華理工大學
• 主分類號: H01L31/0304
• 分類號: H01L31/0304;H01L31/118;H01L31/18
• 代理公司: 江西省專利事務所36100
• 代理人: 胡里程

技術領域

本發明涉及核輻射探測技術領域，尤其是一種變摻雜變組分AlGaN/GaN中子探測器。

背景技術

中子探測器是中子探測的核心部件。基于半導體的中子探測器具有功耗低、線性響應范圍寬、響應時間快、n/γ分辨率好、體積小、工作電壓低等優點，特別是基于寬帶隙半導體材料的中子探測器，可以在許多應用領域替代³He正比計數管、BF₃正比計數管和閃爍體探測器。

GaN作為第三代半導體材料，具有寬帶隙、高飽和電子漂移速率、高熱導率、高擊穿電場和良好的化學穩定性等特點。隨著GaN材料的日益成熟，具有耐高溫、耐輻照的GaN核輻射探測器受到了人們的關注。近些年來，為了提高GaN核輻射的探測性能，已有研究人員對此進行了研究，制備多種結構的GaN核輻射探測器。2003年，立陶宛維爾紐斯大學制備了基于SI GaN材料的核輻射探測器。2012年，荷蘭歐洲空間研究院制備了PIN結構的α粒子和X-ray探測器。2012年，美國俄亥俄州立大學利用自支撐GaN材料制備了肖特基結構的α粒子探測器，探測了將熱中子照射到涂有Li₂O的聚四氟乙烯上產生的α粒子, 但上述探測器在一定程度上都存在漏電流較大和載流子收集效率較低的問題。為了解決上述問題，可以在PIN器件結構中的N區采用變摻雜和變組分結構，使有源區厚度展寬且內建電場增大，從而提高載流子收集效率，降低漏電流。這種具有內建電場作用下高收集效率變帶隙AlGaN/GaN中子探測器件，在核輻射探測領域具有很好的應用前景。

發明內容

本發明的目的在于提供一種變摻雜變組分的AlGaN/GaN中子探測器，以解決上述背景技術中的不足。

本發明的技術方案為：一種變摻雜變組分AlGaN/GaN中子探測器，該探測器為PIN結構，以自支撐n型GaN作為襯底，在襯底上利用金屬有機物化學氣相沉積技術順序生長變摻雜變組分n型AlGaN N層、未摻雜GaN I層、p型GaN P層；利用電子束蒸發設備在p型GaN層和n型襯底層分別沉積多層金屬并退火處理分別形成p型和n型歐姆接觸電極，而后利用光刻及磁控濺射技術在p型電極上濺射¹⁰BC₄形成中子轉換層。

一種變摻雜變組分AlGaN/GaN中子探測器，其制備步驟如下：

1）選取自支撐n型GaN材料做襯底，要求其位錯密度低于10⁶cm^-2，并且均勻性好，晶向為Ga面（1-110），雙面拋光，n型摻雜濃度為5～10×10¹⁸cm^-3，厚度為150～200μm；

2）在步驟1）中獲得的n型GaN襯底上，外延生長Si摻雜n型變摻雜變組分AlGaN/GaN PIN結構中的N層，N層厚度為4～8μm，從襯底往外生長時，n型摻雜濃度由1～10×10¹⁸cm^-3按指數遞減至5～10×10¹⁶cm^-3，Al組分由0.2～0.3線性遞減至0；

3）在步驟2）中獲得的N層上繼續外延生長厚度為1～3μm的未摻雜的GaN作為PIN結構中的I層；

4）在步驟3）中獲得的I層上繼續外延生長Mg摻雜厚度為100～500nm的GaN作為PIN結構中的P層，其摻雜濃度為1～5×10¹⁹cm^-3。

所述的p型歐姆接觸電極，在步驟4）中獲得的p型GaN層上，沉積Ni/Au作為歐姆接觸金屬，其中Ni的厚度為10～20nm， Au的厚度為50～100nm，而后進行歐姆接觸電極退火處理，退火溫度為450～550℃，退火時間為600～900s。

所述的n型歐姆接觸電極，在n型襯底上，沉積Ti/Al/Ni/Au作為歐姆接觸金屬，其中Ti的厚度為10～20nm，Al的厚度為30～50nm，Ni的厚度為20～40nm，Au的厚度為50～100nm，而后進行歐姆接觸電極退火處理，退火溫度為550～650℃，退火時間為400～600s。

所述的中子轉換層，中子轉換材料為¹⁰B₄C或⁶LiF，厚度為4～6μm；沉積轉換層時腔體的本底真空為1～5×10^-5 Pa , 工作壓力為1～3Pa，氬氣流量為5～20sccm，射頻源為100～300W，濺射時間為2000～3000s，反濺偏壓為50～150V。