[发明专利]一种（B、Ga）共掺ZnO/ZnCdO/GaN结型结构的中子探测器的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种（B、Ga）共掺ZnO/ZnCdO/GaN结型结构的中子探测器的制备方法，属于辐射探测器器件制造工艺技术领域。

背景技术

随着公共安全、核工业、科学研究及航空航天等需要进行辐射监控的领域不断扩大，以及监控广度和深度要求的多样化，低功耗、快速响应、便携、性价比高的新型中子探测器成为重要发展方向之一。在这些要求上，目前无论是基于气体室的BF₃和³He正比探测器，还是基于涂硼电离室的中子探测器等都很难较好满足。其它如闪烁体中子探测器，由于闪烁体与探测光的器件如光电倍增管（PMT）彼此分离，且PMT本身也较复杂，使得总体积较大。因此采用固体中子转换材料及固体粒子探测器（如半导体探测器）并集成化是研究重点之一。其中半导体探测器由于工艺简单、功耗低、体积小、能量分辨率高等特点，在高性能、微型化、低功耗中子探测器中具有优势和广阔前景。

ZnO是重要的 -族化合物半导体，宽直接带隙（室温下3.37eV）、高激子结合能（60MeV）、高抗辐照性能（仅次于金刚石）、高机电耦合系数、高电子迁移率、价格低廉、无毒等，这些优异的性质使其具有广泛的用途，如透明电极，紫外光探测器等。而且通过掺杂（如Ga、In等）ZnO还具有优异的闪烁性能，是D-T中子发生器中α粒子的首选闪烁探测材料。与传统无机闪烁体相比，ZnO闪烁体除具有较高光输出外，也是迄今为止发现的衰减时间最短的闪烁材料，这有利于实现器件的高速响应。ZnO晶体具有优于GaN、Si、GaAs 和 CdS 等半导体材料的抗辐射性能，可应用于高辐射的环境，如太空、核电站等。目前，关于ZnO中子探测器件的制备尚无报道。

薄膜制备相比单晶制备工艺简单，批量生长可行性高，且基于薄膜的平面特性适合制备大面积的平板探测器。ZnO薄膜可由化学方法制备，也可通过物理方法得到。在这些薄膜制备方法中，磁控溅射法是较为常用的一种方法，这种方法成本低、速度快、质量好，适用于大面积沉积薄膜。

本发明为制备硼镓（B、Ga）共掺ZnO闪烁体薄膜/Cd掺杂ZnO薄膜/GaN结型结构的中子探测器。该器件结构中，B、Ga共掺ZnO闪烁体薄膜作为中子探测第一步中的中子转换层材料，该转换层利用¹⁰B(n,a)⁷Li反应将中子转换为a粒子，同时该转换层本身作为一种闪烁材料在a粒子激发下会发出特定波长的紫外光，而紫外光的波长在385-390nm之间，因此需要在硼镓（B、Ga）共掺ZnO闪烁体薄膜上再生长一层Cd掺杂ZnO薄膜用于吸收紫外光，从而间接实现对中子的探测。该结型全固态中子探测器对于公共安全、军事、核工业、核医学、科学研究以及航空航天等领域辐射监控、安全防护方面具有重要意义和应用前景。

发明内容

本发明是在p型GaN衬底上采用射频磁控溅射法制备一层n型Cd掺杂ZnO(ZnCdO)薄膜，再在其上制备表面均匀，结晶质量和闪烁性能良好的B、Ga共掺杂ZnO闪烁体薄膜，从而为实现一种B、Ga共掺ZnO闪烁体薄膜/GaN异质结结构的中子探测器提供了方法。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明是一种n-BGZO/n- ZnCdO /p-GaN异质结型中子探测器的制备方法，其特征在于该方法包括如下过程和步骤：

（a）GaN衬底的清洗：在沉积之前，将衬底用去离子水、丙酮和乙醇分别超声清洗10～20分钟，洗去表面的杂质与有机物，用高纯N₂气吹干后放入磁控溅射反应腔体内；

（b）ZnCdO薄膜层的制备：采用Cd掺杂量1-10wt%的ZnO陶瓷靶通过射频磁控溅射的方法在p型GaN衬底上沉积ZnCdO薄膜，溅射气氛为氩气，将衬底加热到100~500℃，溅射气压1~6mTorr；溅射功率50~300W，预溅射5-15分钟（min）后，打开挡板正式溅射30~200min后，薄膜厚度0.2~1mm；

（c）B、Ga共掺ZnO/ZnCdO/GaN异质结结构中子探测器的制备：在ZnCdO薄膜层上采用磁控溅射法制备B、Ga共掺ZnO闪烁体薄膜，采用B掺杂量1%~30wt%、Ga掺杂量1%~10wt%的ZnO陶瓷靶为靶材，溅射气氛为氩气，将衬底加热到100~500℃，溅射气压1~20mTorr；溅射功率50~300W，预溅射1-15min后，打开挡板正式溅射30~200min后，薄膜厚度0.1~2mm；