[发明专利]基于碳化硅结型场效应管的β辐照探测器

说明书

技术领域

本发明属于微电子领域，尤其涉及到一种基于碳化硅结型场效应晶体管结构的β射线辐照探测器，可用于核能中β射线电离辐射探测领域。

技术背景

半导体辐射探测器是继气体探测器，闪烁体探测器之后发展起来的一种新型的先进的探测器。其基本原理是采用半导体工艺，如蒸发，扩散，离子注入等，在半导体基片上，通过在反向偏压的工作条件下制成较厚的耗尽层或扩散区，用来探测入射射线或带电粒子。现有的半导体辐射探测器都是基于Si，GaAs材料的二极管和PIN管等结构，主要用在探测α粒子、β射线和中子等。

半导体辐射探测器对材料有很高的要求，一般认为应该具有以下的特性：

(1)较大的禁带宽度，保证探测器工作时，具有较高的电阻率和较低的漏电流；

(2)良好的工艺性能，容易制得纯度高，完整性好的晶体，同时具有良好的机械性能和化学性能，便于进行机械加工，容易制作成势垒接触或欧姆接触；

(3)优异的物理性能，能耐较高的反向偏压，反向电流小，正向电流也小；同时材料中载流子的迁移率-寿命积要大，确保探测器具有良好的能量分辨率。传统的Si、GaAs结型场效应晶体管器件已不太适合核辐射探测等领域，是因为这些器件的热导率低、击穿电压较低、功率密度低、抗辐照性能不佳。为了满足在国防及医疗领域对高性能，高可靠性半导体辐射探测器的需求，需要开发基于新型半导体材料的辐射探测器。

半导体材料的SiC具有宽禁带宽度(2.6～3.2eV)、高饱和电子漂移速度(2.0×10⁷cm·s^-1)、高击穿电场(2.2MV·cm^-1)、高热导率(3.4～4.9W·cm^-1·K^-1)等性能，并且具有较低的介电常数，这些特性决定了其在高温、高频、大功率半导体器件、抗辐射、数字集成电路等方面都存在极大的应用潜力。具体地说，就是SiC材料的宽带隙决定了其器件能在相当高的温度下(500℃)工作，再加上它的原子临界位移能大，这使得SiC器件有着好的抗辐照能力，尤其是在高温和辐照并存的情况下，SiC器件成了唯一的选择。因此基于SiC材料的抗辐射半导体器件在辐射探测领域将会有更好的应用前景。

文献《JFET optical detectors in the charge storage mode》介绍的J.M.SHANNON，JAN LOHSTROH等人提出的Si结型场效应管结构的探测器。

文献“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》介绍了意大利的Francesco Moscatelli提出的SiC肖特基结构的β探测器，但是肖特基势垒结构的探测器的制作工艺不适合在单片上的集成，探测范围较小，无法满足低剂量射线探测的需求，进而提出了采用容易单片集成的场效应晶体管制作探测器的设想，来解决无法集成的问题。

结型场效应管由于是多子器件，本身具有极强的抗辐射性能，且和双极晶体管及MOS工艺兼容，有利于集成。文献《Design and Process Issues of Junction and Ferroelectric-Field Effect Transistor in Silicon Carbide》中Sang-Mo Koo介绍了SiC的结型场效应管及其制造工艺，如图2所示，其结构是半绝缘的N+衬底上是P+外延层，P+外延层上是N+沟道层，在N+沟道层的中间区域是P+栅区，在两侧区域是源漏区，在源、漏和栅区上分别是欧姆接触的电极。其工艺步骤是在半绝缘的N+衬底上外延一层P+外延层，然后在P+外延层上外延N+沟道，接着通过离子注入P杂质形成重掺杂的P+栅区，然后分别在源、漏及栅区制作欧姆接触的电极。但是这种结构由于没有涉及缓冲层，因而在核射线照射下，入射的射线会造成表面陷阱效应，吸收沟道中的载流子数目，减小沟道电流，削弱器件的探测能力，因而不适合制作辐照探测器。

发明内容

本发明的目的在于克服上述已有技术的不足，提出了基于一种包含了双缓冲层的碳化硅结型场效应管的β辐照探测器及其制作方法，利用SiC材料在辐照方面的独特优势，通过设置缓冲层，减少核辐照射线对器件的表面陷阱效应的影响，减少对沟道中载流子数目的影响，增强探测器的探测能力。