[发明专利]基于ZnO薄膜晶体管的集成式全固态中子探测器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种基于ZnO薄膜晶体管的集成式全固态中子探测器及其制备方法，在Si衬底上采用射频磁控溅射法制备一层高质量的ZnO薄膜，在此基础上采用光刻工艺制备ZnO薄膜晶体管紫外光探测器，再在其上采用磁控溅射法制备表面均匀，结晶质量和闪烁性能良好的B、Ga共掺杂ZnO闪烁体薄膜，从而制备了硼镓共掺ZnO闪烁体薄膜‑ZnO薄膜晶体管紫外光探测器‑Si衬底结构的中子探测器。本发明采用B、Ga共掺杂ZnO闪烁体薄膜作为中子转化层将中子转化成α粒子，α粒子进一步激发B、Ga共掺杂ZnO闪烁体薄膜产生紫外线，再利用ZnO薄膜晶体管紫外光探测器对紫外光进行探测，从而实现对中子的探测，检测精度高，可靠性高。

技术领域

本发明涉及一种高能辐射探测器及其制备方法，特别是涉及一种中子探测器及其制备方法，应用于辐射检测传感器技术领域。

背景技术

近几十年来，随着核科学技术的发展，人类文明的进步，放射性核元素及其相关的射线装置在工业、军事、医疗、科研和教学等领域的应用也越来越广泛，但是随之而来的核反应堆、核武器、放射性废物贮存与运输、放射源丢失和医疗辐照事故等造成的核泄漏风险也越来越高，尤其是日本“311”大地震引发“福岛核事故”后，人们更是对“安全核电”，安全核装置有了迫切需求。另一方面，当今世界正面临越来越严重的国际恐怖活动，国际公共安全正遭受来自各种爆炸物、放射性物质等的威胁。因此，人们越来越关注对X、α、β、γ射线、中子等高能辐射的探测和预警，对相关技术提出了更高要求，人们需要更多性价比高、低功耗、便携、响应快、使用方便、稳定性好的辐射探测器。由于放射性核元素裂变时会产生大量中子，太阳风暴袭击地球时也会带来高能量中子流，因此在众多的辐射探测技术中，中子探测技术在公共安全、军事、核工业、核医学、科学研究以及航空航天等领域的辐射监控、安全防护方面具有较为广阔的应用前景，这些领域的发展也迫切需要开发新型的中子探测技术。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并集成化是研究重点之一，如半导体探测器。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II-VI族化合物半导体，直接带隙宽禁带(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等的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。

发明内容

为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种基于ZnO薄膜晶体管的集成式全固态中子探测器及其制备方法，在栅极层上采用射频磁控溅射法制备一层高质量的ZnO薄膜，在此基础上采用光刻工艺制备ZnO薄膜晶体管(TFT)紫外光探测器，再在其上采用磁控溅射法制备表面均匀，结晶质量和闪烁性能良好的B、Ga共掺杂ZnO闪烁体薄膜，从而为实现一种硼镓共掺ZnO闪烁体薄膜/ZnO薄膜晶体管(TFT)紫外光探测器/Si衬底结构的中子探测器的制备提供了有效方法。本发明制备的集成式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。

为达到上述发明创造目的，本发明采用下述技术方案：