本發(fā)明涉及一種高能輻射探測(cè)器及其制備方法，特別是涉及一種中子探測(cè)器及其制備方法，應(yīng)用于輻射檢測(cè)傳感器技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

近幾十年來(lái)，隨著核科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人類文明的進(jìn)步，放射性核元素及其相關(guān)的射線裝置在工業(yè)、軍事、醫(yī)療、科研和教學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，但是隨之而來(lái)的核反應(yīng)堆、核武器、放射性廢物貯存與運(yùn)輸、放射源丟失和醫(yī)療輻照事故等造成的核泄漏風(fēng)險(xiǎn)也越來(lái)越高，尤其是日本“311”大地震引發(fā)“福島核事故”后，人們更是對(duì)“安全核電”，安全核裝置有了迫切需求。另一方面，當(dāng)今世界正面臨越來(lái)越嚴(yán)重的國(guó)際恐怖活動(dòng)，國(guó)際公共安全正遭受來(lái)自各種爆炸物、放射性物質(zhì)等的威脅。因此，人們?cè)絹?lái)越關(guān)注對(duì)X、α、β、γ射線、中子等高能輻射的探測(cè)和預(yù)警，對(duì)相關(guān)技術(shù)提出了更高要求，人們需要更多性價(jià)比高、低功耗、便攜、響應(yīng)快、使用方便、穩(wěn)定性好的輻射探測(cè)器。由于放射性核元素裂變時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量中子，太陽(yáng)風(fēng)暴襲擊地球時(shí)也會(huì)帶來(lái)高能量中子流，因此在眾多的輻射探測(cè)技術(shù)中，中子探測(cè)技術(shù)在公共安全、軍事、核工業(yè)、核醫(yī)學(xué)、科學(xué)研究以及航空航天等領(lǐng)域的輻射監(jiān)控、安全防護(hù)方面具有較為廣闊的應(yīng)用前景，這些領(lǐng)域的發(fā)展也迫切需要開發(fā)新型的中子探測(cè)技術(shù)。在這些要求上，目前無(wú)論是基于氣體室的BF₃和³He正比探測(cè)器，還是基于涂硼電離室的中子探測(cè)器等都很難較好滿足。其它如閃爍體中子探測(cè)器，由于閃爍體與探測(cè)光的器件如光電倍增管(PMT)彼此分離，且PMT本身也較復(fù)雜，使得總體積較大。因此采用固體中子轉(zhuǎn)換材料及固體粒子探測(cè)器并集成化是研究重點(diǎn)之一，如半導(dǎo)體探測(cè)器。其中半導(dǎo)體探測(cè)器由于工藝簡(jiǎn)單、功耗低、體積小、能量分辨率高等特點(diǎn)，在高性能、微型化、低功耗中子探測(cè)器中具有優(yōu)勢(shì)和廣闊前景。

ZnO是重要的II-VI族化合物半導(dǎo)體，直接帶隙寬禁帶(室溫下3.37eV)、高激子結(jié)合能(60MeV)、高抗輻照性能(僅次于金剛石)、高機(jī)電耦合系數(shù)、高電子遷移率、價(jià)格低廉、無(wú)毒等，這些優(yōu)異的性質(zhì)使其具有廣泛的用途，如透明電極，紫外光探測(cè)器等。而且通過(guò)摻雜如Ga、In等的ZnO還具有優(yōu)異的閃爍性能，是D-T中子發(fā)生器中α粒子的首選閃爍探測(cè)材料。與傳統(tǒng)無(wú)機(jī)閃爍體相比，ZnO閃爍體除具有較高光輸出外，也是迄今為止發(fā)現(xiàn)的衰減時(shí)間最短的閃爍材料，這有利于實(shí)現(xiàn)器件的高速響應(yīng)。ZnO晶體具有優(yōu)于GaN、Si、GaAs和CdS等半導(dǎo)體材料的抗輻射性能，可應(yīng)用于高輻射的環(huán)境，如太空、核電站等。目前，關(guān)于ZnO中子探測(cè)器件的制備尚無(wú)報(bào)道。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于克服已有技術(shù)存在的不足，提供一種基于ZnO薄膜晶體管的集成式全固態(tài)中子探測(cè)器及其制備方法，在柵極層上采用射頻磁控濺射法制備一層高質(zhì)量的ZnO薄膜，在此基礎(chǔ)上采用光刻工藝制備ZnO薄膜晶體管(TFT)紫外光探測(cè)器，再在其上采用磁控濺射法制備表面均勻，結(jié)晶質(zhì)量和閃爍性能良好的B、Ga共摻雜ZnO閃爍體薄膜，從而為實(shí)現(xiàn)一種硼鎵共摻ZnO閃爍體薄膜/ZnO薄膜晶體管(TFT)紫外光探測(cè)器/Si襯底結(jié)構(gòu)的中子探測(cè)器的制備提供了有效方法。本發(fā)明制備的集成式全固態(tài)中子探測(cè)器對(duì)于公共安全、軍事、核工業(yè)、核醫(yī)學(xué)、科學(xué)研究以及航空航天等領(lǐng)域輻射監(jiān)控、安全防護(hù)方面具有重要意義和應(yīng)用前景。

為達(dá)到上述發(fā)明創(chuàng)造目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案：

一種基于ZnO薄膜晶體管的集成式全固態(tài)中子探測(cè)器，采用具有三端器件結(jié)構(gòu)的ZnO薄膜晶體管紫外光探測(cè)器，依次由B、Ga共摻ZnO閃爍體薄膜、ZnO薄膜晶體管紫外光探測(cè)器和襯底三部分進(jìn)行層疊組裝結(jié)合的集成式復(fù)合結(jié)構(gòu)，其中B、Ga共摻ZnO閃爍體薄膜作為進(jìn)行中子探測(cè)第一步中的中子轉(zhuǎn)換材料層，能將入射中子輻射線轉(zhuǎn)換為紫外光，并使紫外光射向ZnO薄膜晶體管紫外光探測(cè)器，ZnO薄膜晶體管紫外光探測(cè)器直接檢測(cè)紫外光，從而間接實(shí)現(xiàn)對(duì)中子輻射線的探測(cè)。

作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，所述ZnO薄膜晶體管紫外光探測(cè)器是依次由柵極、柵絕緣層、ZnO薄膜層、源極和漏極組成TFT晶體管器件，源極和漏極之間的ZnO薄膜層作為溝道層，形成TFT溝道結(jié)構(gòu)，所述B、Ga共摻ZnO閃爍體薄膜固定結(jié)合設(shè)置于源極和漏極之間的ZnO薄膜溝道層表面上，B、Ga共摻ZnO閃爍體薄膜能將紫外光直接向溝道層的ZnO薄膜層進(jìn)行入射。

作為上述方案的一種進(jìn)一步優(yōu)選的技術(shù)方案，所述柵極同時(shí)作為襯底，作為柵極和襯底一體共用的綜合功能層。優(yōu)選所述柵極為B元素材料摻雜的Si復(fù)合材料基片，所采用的Si復(fù)合材料基片的電阻率為10^-4～10^-1Ω·cm。

作為上述方案的另一種進(jìn)一步優(yōu)選的技術(shù)方案，在所述ZnO薄膜晶體管紫外光探測(cè)器的柵極的外表面一側(cè)還設(shè)有襯底。

作為上述方案的進(jìn)一步優(yōu)選的技術(shù)方案，按照摻入元素材料質(zhì)量相對(duì)于B、Ga共摻ZnO閃爍體薄膜總質(zhì)量的質(zhì)量百分比作為摻雜量計(jì)算方法，在B、Ga共摻ZnO閃爍體薄膜中，其中，B的摻雜量為1～30wt.％，Ga的摻雜量為1～10wt.％。

作為上述方案的進(jìn)一步優(yōu)選的技術(shù)方案，所述柵絕緣層的厚度為30～300nm，ZnO薄膜的厚度為50～500nm，源極和漏極的厚度為100～550nm，B、Ga共摻ZnO閃爍體薄膜的厚度0.1～2μm。

作為上述方案的進(jìn)一步優(yōu)選的技術(shù)方案，柵絕緣層為SiO₂薄膜，源極和漏極采用鎵摻雜ZnO薄膜，按照摻入鎵的質(zhì)量相對(duì)于鎵摻雜ZnO薄膜總質(zhì)量的質(zhì)量百分比作為摻雜量計(jì)算方法，在鎵摻雜ZnO薄膜中的鎵摻雜量為1～6wt.％。

一種基于ZnO薄膜晶體管的集成式全固態(tài)中子探測(cè)器的制備方法，包括如下步驟：

a.ZnO薄膜晶體管紫外光探測(cè)器件的制備：

在襯底上制備TFT的柵極層，或者所述柵極層同時(shí)作為襯底，然后采用熱氧化法，在柵極層之上制備厚度為30～300nm的柵絕緣層，再以ZnO為靶材，通過(guò)射頻磁控濺射的方法，在柵絕緣層上沉積厚度為50～500nm的ZnO薄膜，作為TFT溝道層；然后利用光刻工藝，使光刻膠形成所需結(jié)構(gòu)，再利用HCl：H₂O的體積比為1:2000的鹽酸和CH₃COOH：H₂O的體積比為1:2000的醋酸，對(duì)TFT溝道層區(qū)域的ZnO薄膜表面進(jìn)行刻蝕，再去除殘余的光刻膠，再次利用光刻工藝，使光刻膠形成所需結(jié)構(gòu)，然后采用磁控濺射法，制備鎵摻雜ZnO薄膜的厚度為100～550nm的GZO薄膜層，作為TFT晶體管的源極和漏極，得到復(fù)合結(jié)構(gòu)器件，然后將以上制備的復(fù)合結(jié)構(gòu)器件浸泡在丙酮中至少兩小時(shí)，再利用lift-off工藝，去除殘余的光刻膠，使源極和漏極之間的ZnO薄膜表面裸露出來(lái)，形成TFT溝道結(jié)構(gòu)，得到所需結(jié)構(gòu)的具有ZnO薄膜溝道層和三端器件結(jié)構(gòu)的TFT晶體管器件，作為ZnO薄膜晶體管紫外光探測(cè)器件；在柵極層之上優(yōu)選制備SiO₂薄膜作為柵絕緣層；在ZnO薄膜層上，優(yōu)選制備鎵摻雜ZnO薄膜作為源極和漏極，按照摻入鎵的質(zhì)量相對(duì)于鎵摻雜ZnO薄膜總質(zhì)量的質(zhì)量百分比作為摻雜量計(jì)算方法，在鎵摻雜ZnO薄膜中的鎵摻雜量?jī)?yōu)選為1～6wt.％；當(dāng)所述柵極層同時(shí)作為襯底時(shí)，形成柵極和襯底一體共用的綜合功能層，優(yōu)選制備B元素材料摻雜的Si復(fù)合材料基片作為所述柵極層，所采用的Si復(fù)合材料基片的電阻率為10^-4～10^-1Ω·cm；

b.中子探測(cè)器的制備：

在所述步驟a中制備的TFT晶體管器件上，利用光刻工藝，使光刻膠形成所需光刻膠圖形層，在沒(méi)有光刻膠圖形層的ZnO薄膜晶體管紫外光探測(cè)器件的ZnO薄膜溝道層上，采用磁控濺射法繼續(xù)制備B、Ga共摻ZnO薄膜，進(jìn)行磁控濺射時(shí)，按照摻入元素材料質(zhì)量相對(duì)于ZnO陶瓷靶總質(zhì)量的質(zhì)量百分比作為摻雜量計(jì)算方法，采用B摻雜量1～30wt.％、Ga摻雜量1～10wt.％的ZnO陶瓷靶為靶材，濺射氣氛為氬氣，將ZnO薄膜晶體管紫外光探測(cè)器件的ZnO薄膜溝道層作為生長(zhǎng)B、Ga共摻ZnO閃爍體薄膜的襯底，將ZnO薄膜溝道層加熱到100～500℃，控制濺射氣壓為1～20mTorr，控制濺射功率為50～300W，在進(jìn)行預(yù)濺射1-15min后，打開擋板正式濺射30～200min，在源極和漏極之間的ZnO薄膜溝道層表面上得到厚度為0.1～2μm的B、Ga共摻ZnO閃爍體薄膜，最后利用lift-off工藝，去除殘余的光刻膠，即在源極和漏極之間的ZnO薄膜溝道層表面上制備了具有所需形狀的B、Ga共摻ZnO閃爍體薄膜，最終得到依次由B、Ga共摻ZnO閃爍體薄膜、ZnO薄膜晶體管紫外光探測(cè)器和襯底三部分進(jìn)行層疊組裝結(jié)合的集成式復(fù)合結(jié)構(gòu)，其中B、Ga共摻ZnO閃爍體薄膜作為進(jìn)行中子探測(cè)第一步中的中子轉(zhuǎn)換材料層，能將入射中子輻射線轉(zhuǎn)換為紫外光，并使紫外光射向ZnO薄膜晶體管紫外光探測(cè)器，ZnO薄膜晶體管紫外光探測(cè)器直接檢測(cè)紫外光，從而間接實(shí)現(xiàn)對(duì)中子輻射線的探測(cè)。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有如下顯而易見的突出實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著優(yōu)點(diǎn)：

1.相對(duì)于目前廣泛采用的氣體中子探測(cè)器來(lái)說(shuō)，本發(fā)明為全固態(tài)中子探測(cè)器件，具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能耗低、便攜及成本低等特點(diǎn)；

2.本發(fā)明的ZnO閃爍體具有目前已知最短的的衰減時(shí)間，僅次于金剛石的抗輻照性能，因此采用ZnO作為探測(cè)器材料能夠工作在高通量、高能量的輻射條件下，也能實(shí)現(xiàn)超高速響應(yīng)的中子探測(cè)器的制備和應(yīng)用；

3.本發(fā)明以硼鎵共摻ZnO薄膜閃爍體作為中子轉(zhuǎn)換材料將中子輻射轉(zhuǎn)換為紫外光，然后利用紫外光探測(cè)器間接實(shí)現(xiàn)對(duì)中子的探測(cè)，并將ZnO薄膜閃爍體和ZnO薄膜紫外光探測(cè)器集成化；本發(fā)明一方面有利于實(shí)現(xiàn)器件的小型化，另一方面相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)的其他中子探測(cè)器通過(guò)探測(cè)α粒子實(shí)現(xiàn)對(duì)中子的間接探測(cè)，本發(fā)明紫外光中子探測(cè)器的響應(yīng)度更高，且器件結(jié)構(gòu)類型選擇更豐富；此外，本發(fā)明的中子轉(zhuǎn)換材料和紫外光探測(cè)材料同為ZnO，解決了其他器件中轉(zhuǎn)換層材料與后續(xù)探測(cè)器因材料不同所造成的結(jié)合力、應(yīng)力及界面態(tài)問(wèn)題，簡(jiǎn)化了制備工藝，提高了器件性能；

4.本發(fā)明的ZnO薄膜制備相比單晶制備工藝簡(jiǎn)單，批量生長(zhǎng)可行性高，且基于薄膜的平面特性適合制備大面積的平板探測(cè)器，ZnO薄膜能由化學(xué)方法制備，也能通過(guò)物理方法得到，尤其是采用磁控濺射法制備ZnO薄膜的成本低，速度快，質(zhì)量好，適用于大面積沉積薄膜；

5.傳統(tǒng)的ZnO薄膜紫外光探測(cè)器多集中在兩端器件，而本發(fā)明中采用的ZnO薄膜晶體管紫外光探測(cè)器是一種三端器件，將較于傳統(tǒng)的兩端器件，本發(fā)明晶體管紫外光探測(cè)器能通過(guò)控制柵極偏壓，實(shí)現(xiàn)低暗電流和高探測(cè)靈敏度，智能化程度高，檢測(cè)精度高，可靠性高。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例一基于ZnO薄膜晶體管的集成式全固態(tài)中子探測(cè)器的結(jié)構(gòu)原理示意圖。

圖2為本發(fā)明實(shí)施例一的ZnO薄膜晶體管紫外光探測(cè)器件制備方法的流程示意圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例詳述如下：

實(shí)施例一：

在本實(shí)施例中，參見圖1，一種基于ZnO薄膜晶體管的集成式全固態(tài)中子探測(cè)器，采用具有三端器件結(jié)構(gòu)的ZnO薄膜晶體管紫外光探測(cè)器，依次由B、Ga共摻ZnO閃爍體薄膜、ZnO薄膜晶體管紫外光探測(cè)器和襯底三部分進(jìn)行層疊組裝結(jié)合的集成式復(fù)合結(jié)構(gòu)，其中B、Ga共摻ZnO閃爍體薄膜作為進(jìn)行中子探測(cè)第一步中的中子轉(zhuǎn)換材料層，能將入射中子輻射線轉(zhuǎn)換為紫外光，并使紫外光射向ZnO薄膜晶體管紫外光探測(cè)器，ZnO薄膜晶體管紫外光探測(cè)器直接檢測(cè)紫外光，從而間接實(shí)現(xiàn)對(duì)中子輻射線的探測(cè)。

在本實(shí)施例中，參見圖1，所述ZnO薄膜晶體管紫外光探測(cè)器是主要依次由襯底和柵極共用基片、柵絕緣層、ZnO薄膜層、源極和漏極組成TFT晶體管器件，源極和漏極之間的ZnO薄膜層作為溝道層，形成TFT溝道結(jié)構(gòu)，所述B、Ga共摻ZnO閃爍體薄膜固定結(jié)合設(shè)置于源極和漏極之間的ZnO薄膜溝道層表面上，B、Ga共摻ZnO閃爍體薄膜能將紫外光直接向溝道層的ZnO薄膜層進(jìn)行入射。所述柵極同時(shí)作為襯底，作為柵極和襯底一體共用的綜合功能層。所述柵極為B元素材料摻雜的Si復(fù)合材料基片，所采用的Si復(fù)合材料基片的電阻率為10^-3Ω·cm。

在本實(shí)施例中，參見圖1，按照摻入元素材料質(zhì)量相對(duì)于B、Ga共摻ZnO閃爍體薄膜總質(zhì)量的質(zhì)量百分比作為摻雜量計(jì)算方法，在B、Ga共摻ZnO閃爍體薄膜中，其中，B的摻雜量為30wt.％，Ga的摻雜量為10wt.％。所述柵絕緣層的厚度為30nm，ZnO薄膜的厚度為50nm，源極和漏極的厚度為100nm，B、Ga共摻ZnO閃爍體薄膜的厚度0.8μm。柵絕緣層為SiO₂薄膜，源極和漏極采用鎵摻雜ZnO薄膜，按照摻入鎵的質(zhì)量相對(duì)于鎵摻雜ZnO薄膜總質(zhì)量的質(zhì)量百分比作為摻雜量計(jì)算方法，在鎵摻雜ZnO薄膜中的鎵摻雜量為3wt.％。

在本實(shí)施例中，參見圖2，一種基于ZnO薄膜晶體管的集成式全固態(tài)中子探測(cè)器的制備方法，包括如下步驟：

a.ZnO薄膜晶體管紫外光探測(cè)器件的制備：

采用襯底，并將襯底同時(shí)作為柵極層，形成柵極和襯底一體共用的綜合功能層，采用B元素材料摻雜的Si復(fù)合材料基片作為襯底和柵極共用基片，所采用的Si復(fù)合材料基片的電阻率為10^-3Ω·cm，本實(shí)施例采用高摻雜、高導(dǎo)電率的Si作為襯底，同時(shí)也作為TFT的柵極(gate)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，制備成本低，然后對(duì)襯底和柵極共用基片進(jìn)行清洗，具體為：首先將所采用的Si復(fù)合材料基片用丙酮、甲醇和去離子水分別超聲清洗15分鐘，洗去表面的雜質(zhì)與有機(jī)物，然后用高純N₂氣吹干，再放入溫度為100℃的烘箱中烘烤4分鐘，待用；然后采用熱氧化法，在柵極層之上制備厚度為30nm的SiO₂柵絕緣層，再以ZnO為靶材，通過(guò)射頻磁控濺射的方法，在SiO₂柵絕緣層上沉積厚度為50nm的ZnO薄膜，作為TFT溝道層，如圖2(a)所示；然后利用光刻工藝，使光刻膠(Photo Resist)形成如圖2(b)所示的所需結(jié)構(gòu)，再利用HCl：H₂O的體積比為1:2000的鹽酸和CH₃COOH：H₂O的體積比為1:2000的醋酸，對(duì)TFT溝道層區(qū)域的ZnO薄膜表面進(jìn)行刻蝕，得到圖2(c)所示結(jié)構(gòu)，再去除殘余的光刻膠，得到圖2(d)所示的結(jié)構(gòu)，再次利用光刻工藝，使光刻膠(Photo Resist)形成如圖2(e)所示的所需結(jié)構(gòu)，然后采用磁控濺射法，制備鎵摻雜ZnO的厚度為100nm的GZO薄膜層，作為TFT晶體管的源極(Source)和漏極(Drain)，得到如圖2(f)所示的復(fù)合結(jié)構(gòu)器件，制備GZO薄膜層時(shí)，按照摻入鎵的質(zhì)量相對(duì)于鎵摻雜ZnO薄膜總質(zhì)量的質(zhì)量百分比作為摻雜量計(jì)算方法，在鎵摻雜ZnO薄膜中的鎵摻雜量為3wt.％，然后將以上制備的復(fù)合結(jié)構(gòu)器件浸泡在丙酮中兩小時(shí)后，再利用lift-off工藝，去除殘余的光刻膠，使源極和漏極之間的ZnO薄膜表面裸露出來(lái)，形成如圖2(g)所示的TFT溝道結(jié)構(gòu)，得到所需結(jié)構(gòu)的具有ZnO薄膜溝道層和三端器件結(jié)構(gòu)的TFT晶體管器件，作為ZnO薄膜晶體管紫外光探測(cè)器件；

b.中子探測(cè)器的制備：

在所述步驟a中制備的TFT晶體管器件上，利用光刻工藝，使光刻膠(Photo Resist)形成所需光刻膠圖形層，在沒(méi)有光刻膠圖形層的ZnO薄膜晶體管紫外光探測(cè)器件的ZnO薄膜溝道層上，采用磁控濺射法繼續(xù)制備B、Ga共摻ZnO薄膜，進(jìn)行磁控濺射時(shí)，按照摻入元素材料質(zhì)量相對(duì)于ZnO陶瓷靶總質(zhì)量的質(zhì)量百分比作為摻雜量計(jì)算方法，采用B摻雜量30wt.％、Ga摻雜量10wt.％的ZnO陶瓷靶為靶材，濺射氣氛為氬氣，將ZnO薄膜晶體管紫外光探測(cè)器件的ZnO薄膜溝道層作為生長(zhǎng)B、Ga共摻ZnO閃爍體薄膜的襯底，將ZnO薄膜溝道層加熱到200℃，控制濺射氣壓為6mTorr，控制濺射功率為150W，在進(jìn)行預(yù)濺射5min后，打開擋板正式濺射120min，在源極和漏極之間的ZnO薄膜溝道層表面上得到厚度為0.8μm的B、Ga共摻ZnO閃爍體薄膜，最后利用lift-off工藝，去除殘余的光刻膠，即在源極和漏極之間的ZnO薄膜溝道層表面上制備了具有所需形狀的B、Ga共摻ZnO閃爍體薄膜，最終得到依次由B、Ga共摻ZnO閃爍體薄膜、ZnO薄膜晶體管紫外光探測(cè)器和襯底三部分進(jìn)行層疊組裝結(jié)合的集成式復(fù)合結(jié)構(gòu)，如圖1所示，其中B、Ga共摻ZnO閃爍體薄膜作為進(jìn)行中子探測(cè)第一步中的中子轉(zhuǎn)換材料層，能將入射中子輻射線轉(zhuǎn)換為紫外光，并使紫外光射向ZnO薄膜晶體管紫外光探測(cè)器，ZnO薄膜晶體管紫外光探測(cè)器直接檢測(cè)紫外光，從而間接實(shí)現(xiàn)對(duì)中子輻射線的探測(cè)。

本實(shí)施例在Si襯底上采用射頻磁控濺射法制備一層高質(zhì)量的ZnO薄膜，在此基礎(chǔ)上采用光刻工藝制備ZnO薄膜晶體管(TFT)紫外光探測(cè)器，再在其上采用磁控濺射法制備表面均勻，結(jié)晶質(zhì)量和閃爍性能良好的B、Ga共摻雜ZnO閃爍體薄膜，從而為實(shí)現(xiàn)一種硼鎵共摻ZnO閃爍體薄膜-ZnO薄膜晶體管(TFT)紫外光探測(cè)器-Si襯底結(jié)構(gòu)的中子探測(cè)器提供了有效的方法，本實(shí)施例是復(fù)合結(jié)構(gòu)的中子探測(cè)器，采用B、Ga共摻雜ZnO閃爍體薄膜作為中子轉(zhuǎn)化層將中子轉(zhuǎn)化成α粒子，α粒子進(jìn)一步激發(fā)B、Ga共摻雜ZnO閃爍體薄膜產(chǎn)生紫外線，再利用ZnO薄膜晶體管紫外光探測(cè)器對(duì)紫外光(UV)進(jìn)行探測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)中子的探測(cè)。

實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析：

使用²⁵²Cf中子源，對(duì)實(shí)施例一制備獲得的B、Ga共摻ZnO閃爍體薄膜-ZnO薄膜晶體管紫外光探測(cè)器-Si襯底復(fù)合結(jié)構(gòu)的中子探測(cè)器進(jìn)行輻照，通過(guò)其在中子輻照前后的電流-電壓特性比較發(fā)現(xiàn)，該器件對(duì)中子源有明顯的響應(yīng)，在-5V電壓下，器件光電流與暗電流之比值大于5。

實(shí)施例一為制備硼鎵共摻ZnO閃爍體薄膜-ZnO薄膜晶體管(TFT)紫外光探測(cè)器-Si襯底結(jié)構(gòu)的集成式中子探測(cè)器，在本實(shí)施例器件結(jié)構(gòu)中，B、Ga共摻ZnO閃爍體薄膜作為中子探測(cè)第一步中的中子轉(zhuǎn)換層材料，該轉(zhuǎn)換層利用¹⁰B(n,α)⁷Li反應(yīng)將中子轉(zhuǎn)換為α粒子，同時(shí)該轉(zhuǎn)換層本身作為一種閃爍體材料在α粒子激發(fā)下會(huì)發(fā)出特定波長(zhǎng)的紫外光，因此B、Ga共摻ZnO薄膜閃爍體能將入射中子轉(zhuǎn)換為紫外光。對(duì)于中子探測(cè)的第二步利用核輻射探測(cè)器探測(cè)光子，實(shí)施例一采用ZnO薄膜晶體管(TFT)紫外光探測(cè)器探測(cè)紫外光，從而間接實(shí)現(xiàn)對(duì)中子的探測(cè)。實(shí)施例一的集成式全固態(tài)中子探測(cè)器對(duì)于公共安全、軍事、核工業(yè)、核醫(yī)學(xué)、科學(xué)研究以及航空航天等領(lǐng)域輻射監(jiān)控、安全防護(hù)方面具有重要意義和應(yīng)用前景。

實(shí)施例二：

本實(shí)施例與實(shí)施例一基本相同，特別之處在于：

在本實(shí)施例中，一種基于ZnO薄膜晶體管的集成式全固態(tài)中子探測(cè)器的制備方法，包括如下步驟：

a.ZnO薄膜晶體管紫外光探測(cè)器件的制備：

采用襯底，并將襯底同時(shí)作為柵極層，形成柵極和襯底一體共用的綜合功能層，采用B元素材料摻雜的Si復(fù)合材料基片作為襯底和柵極共用基片，所采用的Si復(fù)合材料基片的電阻率為10^-3Ω·cm，本實(shí)施例采用高摻雜、高導(dǎo)電率的Si作為襯底，同時(shí)也作為TFT的柵極(gate)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，制備成本低，然后對(duì)襯底和柵極共用基片進(jìn)行清洗，具體為：首先將所采用的Si復(fù)合材料基片用丙酮、甲醇和去離子水分別超聲清洗15分鐘，洗去表面的雜質(zhì)與有機(jī)物，然后用高純N₂氣吹干，再放入溫度為100℃的烘箱中烘烤4分鐘，待用；然后采用熱氧化法，在柵極層之上制備厚度為30nm的SiO₂柵絕緣層，再以ZnO為靶材，通過(guò)射頻磁控濺射的方法，在SiO₂柵絕緣層上沉積厚度為50nm的ZnO薄膜，作為TFT溝道層；然后利用光刻工藝，使光刻膠(Photo Resist)形成所需結(jié)構(gòu)，再利用HCl：H₂O的體積比為1:2000的鹽酸和CH₃COOH：H₂O的體積比為1:2000的醋酸，對(duì)TFT溝道層區(qū)域的ZnO薄膜表面進(jìn)行刻蝕，再去除殘余的光刻膠，再次利用光刻工藝，使光刻膠(Photo Resist)形成所需結(jié)構(gòu)，然后采用磁控濺射法，制備鎵摻雜ZnO的厚度為100nm的GZO薄膜層，作為TFT晶體管的源極(Source)和漏極(Drain)，得到復(fù)合結(jié)構(gòu)器件，制備GZO薄膜層時(shí)，按照摻入鎵的質(zhì)量相對(duì)于鎵摻雜ZnO薄膜總質(zhì)量的質(zhì)量百分比作為摻雜量計(jì)算方法，在鎵摻雜ZnO薄膜中的鎵摻雜量為6wt.％，然后將以上制備的復(fù)合結(jié)構(gòu)器件浸泡在丙酮中兩小時(shí)后，再利用lift-off工藝，去除殘余的光刻膠，使源極和漏極之間的ZnO薄膜表面裸露出來(lái)，形成TFT溝道結(jié)構(gòu)，得到所需結(jié)構(gòu)的具有ZnO薄膜溝道層和三端器件結(jié)構(gòu)的TFT晶體管器件，作為ZnO薄膜晶體管紫外光探測(cè)器件；

b.中子探測(cè)器的制備：

在所述步驟a中制備的TFT晶體管器件上，利用光刻工藝，使光刻膠(Photo Resist)形成所需光刻膠圖形層，在沒(méi)有光刻膠圖形層的ZnO薄膜晶體管紫外光探測(cè)器件的ZnO薄膜溝道層上，采用磁控濺射法繼續(xù)制備B、Ga共摻ZnO薄膜，進(jìn)行磁控濺射時(shí)，按照摻入元素材料質(zhì)量相對(duì)于ZnO陶瓷靶總質(zhì)量的質(zhì)量百分比作為摻雜量計(jì)算方法，采用B摻雜量30wt.％、Ga摻雜量10wt.％的ZnO陶瓷靶為靶材，濺射氣氛為氬氣，將ZnO薄膜晶體管紫外光探測(cè)器件的ZnO薄膜溝道層作為生長(zhǎng)B、Ga共摻ZnO閃爍體薄膜的襯底，將ZnO薄膜溝道層加熱到100℃，控制濺射氣壓為20mTorr，控制濺射功率為300W，在進(jìn)行預(yù)濺射1min后，打開擋板正式濺射30min，在源極和漏極之間的ZnO薄膜溝道層表面上得到厚度為0.1μm的B、Ga共摻ZnO閃爍體薄膜，最后利用lift-off工藝，去除殘余的光刻膠，即在源極和漏極之間的ZnO薄膜溝道層表面上制備了具有所需形狀的B、Ga共摻ZnO閃爍體薄膜，最終得到依次由B、Ga共摻ZnO閃爍體薄膜、ZnO薄膜晶體管紫外光探測(cè)器和襯底三部分進(jìn)行層疊組裝結(jié)合的集成式復(fù)合結(jié)構(gòu)，其中B、Ga共摻ZnO閃爍體薄膜作為進(jìn)行中子探測(cè)第一步中的中子轉(zhuǎn)換材料層，能將入射中子輻射線轉(zhuǎn)換為紫外光，并使紫外光射向ZnO薄膜晶體管紫外光探測(cè)器，ZnO薄膜晶體管紫外光探測(cè)器直接檢測(cè)紫外光，從而間接實(shí)現(xiàn)對(duì)中子輻射線的探測(cè)。

實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析：

使用²⁵²Cf中子源，對(duì)實(shí)施例二制備獲得的B、Ga共摻ZnO閃爍體薄膜-ZnO薄膜晶體管紫外光探測(cè)器-Si襯底復(fù)合結(jié)構(gòu)的中子探測(cè)器進(jìn)行輻照，通過(guò)其在中子輻照前后的電流-電壓特性比較發(fā)現(xiàn)，該器件對(duì)中子源有明顯的響應(yīng)，在-5V電壓下，器件光電流與暗電流之比值大于8。

實(shí)施例二為制備硼鎵共摻ZnO閃爍體薄膜-ZnO薄膜晶體管(TFT)紫外光探測(cè)器-Si襯底結(jié)構(gòu)的集成式中子探測(cè)器，在本實(shí)施例器件結(jié)構(gòu)中，B、Ga共摻ZnO閃爍體薄膜作為中子探測(cè)第一步中的中子轉(zhuǎn)換層材料，該轉(zhuǎn)換層利用¹⁰B(n,α)⁷Li反應(yīng)將中子轉(zhuǎn)換為α粒子，同時(shí)該轉(zhuǎn)換層本身作為一種閃爍體材料在α粒子激發(fā)下會(huì)發(fā)出特定波長(zhǎng)的紫外光，因此B、Ga共摻ZnO薄膜閃爍體能將入射中子轉(zhuǎn)換為紫外光。對(duì)于中子探測(cè)的第二步利用核輻射探測(cè)器探測(cè)光子，實(shí)施例二采用ZnO薄膜晶體管(TFT)紫外光探測(cè)器探測(cè)紫外光，從而間接實(shí)現(xiàn)對(duì)中子的探測(cè)。實(shí)施例二的集成式全固態(tài)中子探測(cè)器對(duì)于公共安全、軍事、核工業(yè)、核醫(yī)學(xué)、科學(xué)研究以及航空航天等領(lǐng)域輻射監(jiān)控、安全防護(hù)方面具有重要意義和應(yīng)用前景。

實(shí)施例三：

本實(shí)施例與前述實(shí)施例基本相同，特別之處在于：

在本實(shí)施例中，一種基于ZnO薄膜晶體管的集成式全固態(tài)中子探測(cè)器的制備方法，包括如下步驟：

a.ZnO薄膜晶體管紫外光探測(cè)器件的制備：

采用襯底，并將襯底同時(shí)作為柵極層，形成柵極和襯底一體共用的綜合功能層，采用B元素材料摻雜的Si復(fù)合材料基片作為襯底和柵極共用基片，所采用的Si復(fù)合材料基片的電阻率為10^-3Ω·cm，本實(shí)施例采用高摻雜、高導(dǎo)電率的Si作為襯底，同時(shí)也作為TFT的柵極(gate)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，制備成本低，然后對(duì)襯底和柵極共用基片進(jìn)行清洗，具體為：首先將所采用的Si復(fù)合材料基片用丙酮、甲醇和去離子水分別超聲清洗15分鐘，洗去表面的雜質(zhì)與有機(jī)物，然后用高純N₂氣吹干，再放入溫度為100℃的烘箱中烘烤4分鐘，待用；然后采用熱氧化法，在柵極層之上制備厚度為300nm的SiO₂柵絕緣層，再以ZnO為靶材，通過(guò)射頻磁控濺射的方法，在SiO₂柵絕緣層上沉積厚度為500nm的ZnO薄膜，作為TFT溝道層；然后利用光刻工藝，使光刻膠(Photo Resist)形成所需結(jié)構(gòu)，再利用HCl：H₂O的體積比為1:2000的鹽酸和CH₃COOH：H₂O的體積比為1:2000的醋酸，對(duì)TFT溝道層區(qū)域的ZnO薄膜表面進(jìn)行刻蝕，再去除殘余的光刻膠，再次利用光刻工藝，使光刻膠(Photo Resist)形成所需結(jié)構(gòu)，然后采用磁控濺射法，制備鎵摻雜ZnO的厚度為550nm的GZO薄膜層，作為TFT晶體管的源極(Source)和漏極(Drain)，得到復(fù)合結(jié)構(gòu)器件，制備GZO薄膜層時(shí)，按照摻入鎵的質(zhì)量相對(duì)于鎵摻雜ZnO薄膜總質(zhì)量的質(zhì)量百分比作為摻雜量計(jì)算方法，在鎵摻雜ZnO薄膜中的鎵摻雜量為1wt.％，然后將以上制備的復(fù)合結(jié)構(gòu)器件浸泡在丙酮中兩小時(shí)后，再利用lift-off工藝，去除殘余的光刻膠，使源極和漏極之間的ZnO薄膜表面裸露出來(lái)，形成TFT溝道結(jié)構(gòu)，得到所需結(jié)構(gòu)的具有ZnO薄膜溝道層和三端器件結(jié)構(gòu)的TFT晶體管器件，作為ZnO薄膜晶體管紫外光探測(cè)器件；

b.中子探測(cè)器的制備：

在所述步驟a中制備的TFT晶體管器件上，利用光刻工藝，使光刻膠(Photo Resist)形成所需光刻膠圖形層，在沒(méi)有光刻膠圖形層的ZnO薄膜晶體管紫外光探測(cè)器件的ZnO薄膜溝道層上，采用磁控濺射法繼續(xù)制備B、Ga共摻ZnO薄膜，進(jìn)行磁控濺射時(shí)，按照摻入元素材料質(zhì)量相對(duì)于ZnO陶瓷靶總質(zhì)量的質(zhì)量百分比作為摻雜量計(jì)算方法，采用B摻雜量10wt.％、Ga摻雜量1wt.％的ZnO陶瓷靶為靶材，濺射氣氛為氬氣，將ZnO薄膜晶體管紫外光探測(cè)器件的ZnO薄膜溝道層作為生長(zhǎng)B、Ga共摻ZnO閃爍體薄膜的襯底，將ZnO薄膜溝道層加熱到500℃，控制濺射氣壓為1mTorr，控制濺射功率為50W，在進(jìn)行預(yù)濺射15min后，打開擋板正式濺射200min，在源極和漏極之間的ZnO薄膜溝道層表面上得到厚度為2μm的B、Ga共摻ZnO閃爍體薄膜，最后利用lift-off工藝，去除殘余的光刻膠，即在源極和漏極之間的ZnO薄膜溝道層表面上制備了具有所需形狀的B、Ga共摻ZnO閃爍體薄膜，最終得到依次由B、Ga共摻ZnO閃爍體薄膜、ZnO薄膜晶體管紫外光探測(cè)器和襯底三部分進(jìn)行層疊組裝結(jié)合的集成式復(fù)合結(jié)構(gòu)，其中B、Ga共摻ZnO閃爍體薄膜作為進(jìn)行中子探測(cè)第一步中的中子轉(zhuǎn)換材料層，能將入射中子輻射線轉(zhuǎn)換為紫外光，并使紫外光射向ZnO薄膜晶體管紫外光探測(cè)器，ZnO薄膜晶體管紫外光探測(cè)器直接檢測(cè)紫外光，從而間接實(shí)現(xiàn)對(duì)中子輻射線的探測(cè)。

實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析：

使用²⁵²Cf中子源，對(duì)實(shí)施例三制備獲得的B、Ga共摻ZnO閃爍體薄膜-ZnO薄膜晶體管紫外光探測(cè)器-Si襯底復(fù)合結(jié)構(gòu)的中子探測(cè)器進(jìn)行輻照，通過(guò)其在中子輻照前后的電流-電壓特性比較發(fā)現(xiàn)，該器件對(duì)中子源有明顯的響應(yīng)，在-5V電壓下，器件光電流與暗電流之比值大于10。

實(shí)施例三為制備硼鎵共摻ZnO閃爍體薄膜-ZnO薄膜晶體管(TFT)紫外光探測(cè)器-Si襯底結(jié)構(gòu)的集成式中子探測(cè)器，在本實(shí)施例器件結(jié)構(gòu)中，B、Ga共摻ZnO閃爍體薄膜作為中子探測(cè)第一步中的中子轉(zhuǎn)換層材料，該轉(zhuǎn)換層利用¹⁰B(n,α)⁷Li反應(yīng)將中子轉(zhuǎn)換為α粒子，同時(shí)該轉(zhuǎn)換層本身作為一種閃爍體材料在α粒子激發(fā)下會(huì)發(fā)出特定波長(zhǎng)的紫外光，因此B、Ga共摻ZnO薄膜閃爍體能將入射中子轉(zhuǎn)換為紫外光。對(duì)于中子探測(cè)的第二步利用核輻射探測(cè)器探測(cè)光子，實(shí)施例三采用ZnO薄膜晶體管(TFT)紫外光探測(cè)器探測(cè)紫外光，從而間接實(shí)現(xiàn)對(duì)中子的探測(cè)。實(shí)施例三的集成式全固態(tài)中子探測(cè)器對(duì)于公共安全、軍事、核工業(yè)、核醫(yī)學(xué)、科學(xué)研究以及航空航天等領(lǐng)域輻射監(jiān)控、安全防護(hù)方面具有重要意義和應(yīng)用前景。

實(shí)施例四：

本實(shí)施例與前述實(shí)施例基本相同，特別之處在于：

在本實(shí)施例中，在所述ZnO薄膜晶體管紫外光探測(cè)器的柵極的外表面一側(cè)還設(shè)有襯底，所述ZnO薄膜晶體管紫外光探測(cè)器是主要依次由襯底、柵極、柵絕緣層、ZnO薄膜層、源極和漏極組成TFT晶體管器件，源極和漏極之間的ZnO薄膜層作為溝道層，形成TFT溝道結(jié)構(gòu)，所述B、Ga共摻ZnO閃爍體薄膜固定結(jié)合設(shè)置于源極和漏極之間的ZnO薄膜溝道層表面上，B、Ga共摻ZnO閃爍體薄膜能將紫外光直接向溝道層的ZnO薄膜層進(jìn)行入射。實(shí)施例四采用ZnO薄膜晶體管(TFT)紫外光探測(cè)器探測(cè)紫外光，從而間接實(shí)現(xiàn)對(duì)中子的探測(cè)。實(shí)施例四的集成式全固態(tài)中子探測(cè)器對(duì)于公共安全、軍事、核工業(yè)、核醫(yī)學(xué)、科學(xué)研究以及航空航天等領(lǐng)域輻射監(jiān)控、安全防護(hù)方面具有重要意義和應(yīng)用前景。

上面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施例進(jìn)行了說(shuō)明，但本發(fā)明不限于上述實(shí)施例，還可以根據(jù)本發(fā)明的發(fā)明創(chuàng)造的目的做出多種變化，凡依據(jù)本發(fā)明技術(shù)方案的精神實(shí)質(zhì)和原理下做的改變、修飾、替代、組合或簡(jiǎn)化，均應(yīng)為等效的置換方式，只要符合本發(fā)明的發(fā)明目的，只要不背離本發(fā)明基于ZnO薄膜晶體管的集成式全固態(tài)中子探測(cè)器及其制備方法的技術(shù)原理和發(fā)明構(gòu)思，都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。