[发明专利]基于碳化硅PIN二极管结构的β辐照闪烁体探测器

说明书

本发明公开了一种基于碳化硅PIN二极管结构的β射线闪烁体探测器及其制作方法，主要解决现有技术探测率低、不利于集成、抗辐射性差的问题。本发明的碳化硅PIN二极管型β射线探测器自下而上包括N型欧姆接触电极(8)、N型SiC衬底(7)、N型缓冲层(6)、掺杂浓本征吸收层(5)；该本征吸收层(5)中间区域开有窗口，窗口内埋入塑料闪烁体(1)，窗口内部区域及窗口上方淀积有一层SiO₂反射层(2)，本征吸收层(5)两侧上方为P⁺薄层(4)，P⁺薄层(4)上方为P型欧姆接触电极(3)。该β射线探测器探测率高，利于集成，抗辐射型好，可用于核能中对β射线的探测。

技术领域

本发明属于微电子技术领域，尤其涉及一种β射线闪烁体探测器，可用于β射线电离辐射探测领域。

背景技术

固体β射线探测器大体可以分为半导体型和闪烁型两种。闪烁体探测器是目前应用最多，最广泛的电离辐射探测器之一，其工作原理是利用电离辐射在某些物质中产生的闪光来进行探测的。闪烁体材料具有探测效率高、分辨时间短、使用方便、适用性广等特点。

传统的Si，GaAs等材料由于其热导率较低、击穿电压较低、功率密度低、抗辐照性能不佳。因此，为了得到高性能高可靠性的探测器，需要设计新型半导体材料的辐射探测器。

半导体材料的SiC具有2.6eV～3.2eV较宽的禁带宽度、2.0×10⁷cm·s^-1的高饱和电子漂移速度、2.2MV·cm^-1的高击穿电场、3.4W·cm^-1～4.9W·cm^-1的高热导率等性能，并且具有较低的介电常数，这些性质决定了其在高温、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器件能在500℃这样相当高的温度下工作，并且在高温下暗电流仍然很低，灵敏度高，再加上它的原子临界位移能大，这使得SiC器件有着很好的抗辐照能力，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“Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 583(2007)157-161”《Silicon carbide for UV，alpha，beta and X-ray detectors：Results andperspectives》介绍了意大利的Francesco Moscatelli提出的SiC肖特基结构的β探测器的设想。这种结构是在碳化硅半绝缘衬底上外延一层p型碳化硅，之后在p型碳化硅上外延一层n型碳化硅，通过n⁺高掺杂形成源漏区，在中间区域形成栅极，如图1所示。但是这种基于传统SiC肖特基结构场效应晶体管存在高密度表面陷阱，在SiC材料中，受主表面陷阱俘获电子形成表面电荷，使一部分电力线终止在表面电荷上，由于在栅漏区高电场作用下，源极流向漏极的电子在经过沟道时会被表面陷阱俘获，从而在表面形成耗尽层，使得电流传输的有效沟道厚度变薄，从而影响到了金属半导体场效应晶体管器件的电学性能。同时当β射线到达探测器表面后，由于受到较厚的栅极金属层的阻挡，只有部分β射线能进入器件内部。只有进入耗尽区的β粒子才会对电流输出有贡献。因此这种较厚的栅极结构导致入射粒子能量损失大，能量转换效率较低。同时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。

单纯pn结型碳化硅伽马射线探测器，β射线的吸收系数太小，需要厚外延，难度大，而且薄pn结碳化硅β射线探测器探测效率低。

传统闪烁体发光探测β射线的方法中，闪烁体体积大，不利于集成。

发明内容

本发明的目的在于避免已有技术上的不足，提出一种基于碳化硅PIN二极管的β射线闪烁体探测器，以减小探测器的闪烁体体积，利于集成，并提高探测效率。