[发明专利]一种变掺杂变组分的AlGaNGaN中子探测器

说明书

技术领域

本发明涉及核辐射探测技术领域，尤其是一种变掺杂变组分AlGaN/GaN中子探测器。

背景技术

中子探测器是中子探测的核心部件。基于半导体的中子探测器具有功耗低、线性响应范围宽、响应时间快、n/γ分辨率好、体积小、工作电压低等优点，特别是基于宽带隙半导体材料的中子探测器，可以在许多应用领域替代³He正比计数管、BF₃正比计数管和闪烁体探测器。

GaN作为第三代半导体材料，具有宽带隙、高饱和电子漂移速率、高热导率、高击穿电场和良好的化学稳定性等特点。随着GaN材料的日益成熟，具有耐高温、耐辐照的GaN核辐射探测器受到了人们的关注。近些年来，为了提高GaN核辐射的探测性能，已有研究人员对此进行了研究，制备多种结构的GaN核辐射探测器。2003年，立陶宛维尔纽斯大学制备了基于SI GaN材料的核辐射探测器。2012年，荷兰欧洲空间研究院制备了PIN结构的α粒子和X-ray探测器。2012年，美国俄亥俄州立大学利用自支撑GaN材料制备了肖特基结构的α粒子探测器，探测了将热中子照射到涂有Li₂O的聚四氟乙烯上产生的α粒子, 但上述探测器在一定程度上都存在漏电流较大和载流子收集效率较低的问题。为了解决上述问题，可以在PIN器件结构中的N区采用变掺杂和变组分结构，使有源区厚度展宽且内建电场增大，从而提高载流子收集效率，降低漏电流。这种具有内建电场作用下高收集效率变带隙AlGaN/GaN中子探测器件，在核辐射探测领域具有很好的应用前景。

发明内容

本发明的目的在于提供一种变掺杂变组分的AlGaN/GaN中子探测器，以解决上述背景技术中的不足。

本发明的技术方案为：一种变掺杂变组分AlGaN/GaN中子探测器，该探测器为PIN结构，以自支撑n型GaN作为衬底，在衬底上利用金属有机物化学气相沉积技术顺序生长变掺杂变组分n型AlGaN N层、未掺杂GaN I层、p型GaN P层；利用电子束蒸发设备在p型GaN层和n型衬底层分别沉积多层金属并退火处理分别形成p型和n型欧姆接触电极，而后利用光刻及磁控溅射技术在p型电极上溅射¹⁰BC₄形成中子转换层。

一种变掺杂变组分AlGaN/GaN中子探测器，其制备步骤如下：

1）选取自支撑n型GaN材料做衬底，要求其位错密度低于10⁶cm^-2，并且均匀性好，晶向为Ga面（1-110），双面抛光，n型掺杂浓度为5～10×10¹⁸cm^-3，厚度为150～200μm；

2）在步骤1）中获得的n型GaN衬底上，外延生长Si掺杂n型变掺杂变组分AlGaN/GaN PIN结构中的N层，N层厚度为4～8μm，从衬底往外生长时，n型掺杂浓度由1～10×10¹⁸cm^-3按指数递减至5～10×10¹⁶cm^-3，Al组分由0.2～0.3线性递减至0；

3）在步骤2）中获得的N层上继续外延生长厚度为1～3μm的未掺杂的GaN作为PIN结构中的I层；

4）在步骤3）中获得的I层上继续外延生长Mg掺杂厚度为100～500nm的GaN作为PIN结构中的P层，其掺杂浓度为1～5×10¹⁹cm^-3。

所述的p型欧姆接触电极，在步骤4）中获得的p型GaN层上，沉积Ni/Au作为欧姆接触金属，其中Ni的厚度为10～20nm， Au的厚度为50～100nm，而后进行欧姆接触电极退火处理，退火温度为450～550℃，退火时间为600～900s。

所述的n型欧姆接触电极，在n型衬底上，沉积Ti/Al/Ni/Au作为欧姆接触金属，其中Ti的厚度为10～20nm，Al的厚度为30～50nm，Ni的厚度为20～40nm，Au的厚度为50～100nm，而后进行欧姆接触电极退火处理，退火温度为550～650℃，退火时间为400～600s。

所述的中子转换层，中子转换材料为¹⁰B₄C或⁶LiF，厚度为4～6μm；沉积转换层时腔体的本底真空为1～5×10^-5 Pa , 工作压力为1～3Pa，氩气流量为5～20sccm，射频源为100～300W，溅射时间为2000～3000s，反溅偏压为50～150V。