本發(fā)明涉及核輻射探測技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種變摻雜變組分AlGaN/GaN中子探測器。

背景技術(shù)：

中子探測器是中子探測的核心部件?；诎雽?dǎo)體的中子探測器具有功耗低、線性響應(yīng)范圍寬、響應(yīng)時間快、n/γ分辨率好、體積小、工作電壓低等優(yōu)點，特別是基于寬帶隙半導(dǎo)體材料的中子探測器，可以在許多應(yīng)用領(lǐng)域替代³He正比計數(shù)管、BF₃正比計數(shù)管和閃爍體探測器。

GaN作為第三代半導(dǎo)體材料，具有寬帶隙、高飽和電子漂移速率、高熱導(dǎo)率、高擊穿電場和良好的化學(xué)穩(wěn)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(guān)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(jìn)行了研究，制備多種結(jié)構(gòu)的GaN核輻射探測器。2003年，立陶宛維爾紐斯大學(xué)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(jié)構(gòu)的α粒子和X-ray探測器。2012年，美國俄亥俄州立大學(xué)利用自支撐GaN材料制備了肖特基結(jié)構(gòu)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(chǎn)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(jié)構(gòu)中的N區(qū)采用變摻雜和變組分結(jié)構(gòu)，使有源區(qū)厚度展寬且內(nèi)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(nèi)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(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)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(shù)中的不足。

本發(fā)明的技術(shù)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(jié)構(gòu)，以自支撐n型GaN作為襯底，在襯底上利用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積技術(shù)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(fā)設(shè)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(shù)在p型電極上濺射¹⁰BC₄形成中子轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)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(shù)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(xù)外延生長厚度為1～3μm的未摻雜的GaN作為PIN結(jié)構(gòu)中的I層；

4）在步驟3）中獲得的I層上繼續(xù)外延生長Mg摻雜厚度為100～500nm的GaN作為PIN結(jié)構(gòu)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(jìn)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(jìn)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(zhuǎn)換層，中子轉(zhuǎn)換材料為¹⁰B₄C或⁶LiF，厚度為4～6μm；沉積轉(zhuǎn)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。

有關(guān)本發(fā)明的機(jī)理、特點和優(yōu)點:

本發(fā)明是一種變摻雜變組分AlGaN/GaN中子探測器。其特點在于，AlGaN/GaN中的Al組分是從0.2~0.3線性漸變到0，組分的變化會引起能帶帶隙從高漸變到GaN的帶隙，在材料內(nèi)部形成內(nèi)建電場；同時，AlGaN/GaN和未摻雜的GaN界面也存在一個壓電極化電場。兩種電場方向一致，可替代一部分外加偏壓產(chǎn)生的電場，即減小了探測器的外加偏壓。AlGaN/GaN中子探測器工作時，當(dāng)有中子照射到器件上時，中子轉(zhuǎn)換層中的¹⁰B或⁶Li與中子發(fā)生核反應(yīng)，釋放出α粒子。一部分α粒子穿過PIN結(jié)構(gòu)中的I層，電離未摻雜的GaN層，產(chǎn)生電子空穴對；一部分α粒子穿過PIN結(jié)構(gòu)中的I層而后損失能量繼續(xù)向前運動，到達(dá)變摻雜變組分AlGaN N層，電離變摻雜變組分N層，產(chǎn)生電子空穴對。在AlGaN/GaN的內(nèi)建電場和外加偏壓產(chǎn)生的電場作用下，電子被n型襯底收集，空穴被p型GaN收集，從而提高載流子的電荷收集效率，同時也提高了探測器的探測效率。

本發(fā)明的優(yōu)點在于：1、本發(fā)明變摻雜變組分AlGaN/GaN中子探測器，具有PIN結(jié)構(gòu)，減小了器件的漏電流，提高了探測效率。2、本發(fā)明變摻雜變組分AlGaN/GaN中子探測器，由于內(nèi)建電場的增加，有源區(qū)厚度也隨之增加，因而非常有利于載流子的收集，從而提高探測器的靈敏度以及探測效率。

附圖說明

變摻雜變組分AlGaN/GaN中子探測器制備過程示意圖如圖1、圖2、圖3、圖4所示；其中：

圖1是利用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積后的圖；

圖2是制備歐姆接觸后的圖；

圖3是涂負(fù)光刻膠并曝光顯影后的圖；

圖4是制備¹⁰BC₄中子轉(zhuǎn)換層后的圖。

圖中，1、Ga面（1-110）n型襯底， 2、變摻雜變組分N-GaN層，3、I層，4、P-GaN層，5、Ni/Au歐姆接觸電極，6、Ti/Al/Ni/Au歐姆接觸電極，7、光刻圖案，8、¹⁰BC₄中子轉(zhuǎn)換層。

具體實施方式

為了加深對本發(fā)明的理解，下面將結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳述，該實施例僅用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的保護(hù)范圍的限定。

變摻雜變組分AlGaN/GaN中子探測器制備方法具體步驟如下：

如圖1所示，首先，選取n型GaN襯底1基材，均勻性好，晶向為Ga面（1-110），雙面拋光，位錯密度小于10⁶cm^-2，n型摻雜濃度為(5～10)×10¹⁸cm^-3，厚度為150μm；其次，采用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積技術(shù)在襯底上先外延生長厚度為6μm、n型摻雜濃度從5×10¹⁸cm^-3按指數(shù)遞減到5×10¹⁶cm^-3、Al組分含量從0.25線性下降至0的AlGaN層為PIN結(jié)構(gòu)中的N層2；然后生長厚度為1μm的未摻雜GaN層作為I層3；再生長厚度為100nm、摻雜濃度為1×10¹⁹cm^-3的p型GaN層作為PIN結(jié)構(gòu)中的P層4。

如圖2所示，利用電子束蒸發(fā)設(shè)備，在上述獲得的P層4上沉積Ni/Au作為歐姆接觸金屬，其厚度分別為20/50nm，利用快速熱退火在500℃空氣氛圍下退火900s，形成探測器的正面Ni/Au歐姆接觸電極5；利用電子束蒸發(fā)設(shè)備，在n型GaN襯底上沉積Ti/Al/Ni/Au作為歐姆接觸金屬，其厚度分別為20/50/20/50nm，利用快速熱退火在550℃氮氣氛圍下退火600s，形成探測器背面Ti/Al/Ni/Au歐姆接觸電極6。

如圖3所示，利用勻膠機(jī)在Ni/Au歐姆接觸電極5上旋涂一層厚度為6μm的負(fù)光刻膠層，而后放入加熱溫度為90℃的熱板上烘烤90s，冷卻后取出并放入光刻機(jī)位置，利用鉻光刻掩模版曝光4s，曝光后的片子放入溫度為110℃的熱板上烘烤60s，放入負(fù)膠顯影液顯影25s，利用去離子水沖洗并用氮氣吹干，再放入溫度為120℃的熱板上烘烤120s，形成中子轉(zhuǎn)換層的光刻圖案7。

如圖4所示，利用磁控濺射設(shè)備在上述曝光后的光刻圖案7上沉積厚度為4μm的¹⁰B₄C作為探測器的中子轉(zhuǎn)換層8。磁控濺射腔體本底真空為1.0×10^-5 Pa , 工作壓力為1Pa，氬氣流量為10sccm，射頻源為200W，濺射時間為2500s，反濺偏壓為100V。沉積中子轉(zhuǎn)換層8后，將頂部有光刻膠的AlGaN/GaN材料放入去膠剝離液中，去除AlGaN/GaN薄膜最頂層的殘余光刻膠。

最后，利用導(dǎo)電銀漿分別涂覆到AlGaN/GaN探測器的正面電極和背面電極，正面電極與鍍金的鋁外殼粘接，背面電極用銅導(dǎo)線粘接到鍍金的鋁外殼的BNC接口上，而后放入溫度為90℃的加熱箱中恒溫加熱30min，固化銀漿，完成中子探測器的裝配。

以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理和主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。