[实用新型]一种pGaNiGaNnBN中子探测器

说明书

技术领域

本实用新型涉及属于核辐射探测技术领域，尤其是一种p-GaN/i-GaN/n-BN中子探测器。

背景技术

中子本身不带电，不能通过电离损失引起电离、激发而损失能量。因此，常规的半导体中子探测器是在其表面蒸镀一层一定厚度的中子转换层⁶LiF或B₄C。中子转换层的存在，使得半导体中子探测器的探测效率和能量分辨率都很低。由于这个因素的制约，近年来，半导体中子探测器的进一步的发展受到了一定限制。BN是重要的III–V族化合物宽禁带半导体材料，室温下的禁带宽度为6.5eV。BN是一种直接探测中子且极具潜力的中子探测材料，BN中的¹⁰B原子具有高的热中子俘获界面。2016年，美国德州理工大学的Maity课题组利用金属有机物化学气相沉积系统外延生长了厚度为43μm的未掺杂BN薄膜，制备了光电导型中子探测器，理论计算的探测效率高达51.4%。GaN和BN同属于III–V化合物宽禁带半导体材料，具有相似的外延生长环境及设备。pin结型探测器相比光电导型探测器，电荷收集效率高，响应速度快等优点，在核辐射探测器方面得到广泛应用。基于BN/GaN pin结型的中子探测器结合了BN薄膜中子转换效率高和电荷收集效率高两方面优势，在中子探测领域 极具发展和应用潜力。

发明内容

本实用新型的目的针对现有中子探测器需要中子转换层、探测效率低等方面的不足，本实用新型提供了一种p-GaN/i-GaN/n-BN中子探测器。

本实用新型的技术方案为：一种p-GaN/i-GaN/n-BN中子探测器，该探测器包括Al₂O₃衬底层、n-BN中子转换层兼电荷收集层、i-GaN电荷产生层、p-GaN电荷收集层。

所述Al₂O₃衬底层，厚度为150～200μm，晶向为c轴0001面。

所述中子转换层兼电荷收集层n-BN，其中BN中的B为B的同位素¹⁰B,其厚度为5～50μm，掺杂元素为S，掺杂浓度为(5～8)×10¹⁸cm^-3。

所述电荷产生层i-GaN ，其厚度为5～20μm，为非故意掺杂GaN材料。

所述p-GaN电荷收集层 ，其厚度为100～500nm，掺杂元素为Mg，掺杂浓度为(1～3)×10¹⁹cm^-3。

一种p-GaN/i-GaN/n-BN中子探测器,其制备方法包括以下步骤：

（1）、n-BN薄膜的制备：采用金属有机物化学气相沉积系统在Al₂O₃衬底上先预生长缓冲层，而后外延生长n-BN薄膜，三乙基硼和NH₃作为BN的前驱反应物，H₂作为载气，硫化氢作为S掺杂剂，生长温度1300～1500℃，厚度为5～50μm，掺杂浓度为(5～8)×10¹⁸cm^-3；

（2）、i-GaN薄膜的制备：采用金属有机物化学气相沉积系统在n-BN薄膜上外延生长i-GaN薄膜，三甲基镓源和NH₃作为i-GaN的前驱反应物，H₂作为载气，生长温度1000～1100℃，厚度为5～20μm；

(3)、p-GaN薄膜的制备：采用金属有机物化学气相沉积系统在i-GaN薄膜上外延生长p-GaN薄膜，三甲基镓源和NH3作为p-GaN的前驱反应物，H₂作为载气，二茂镁作为Mg掺杂元素的气体掺杂源，生长温度900～1000℃，掺杂浓度为(1～3)×10¹⁹cm^-3，厚度为2～5μm；

（4）、利用匀胶机在上述p-GaN/i-GaN/n-BN薄膜的表面涂上一层正光刻胶并曝光、显影，产生光刻图形；用感应耦合等离子体刻蚀技术刻蚀p-GaN/i-GaN/n-BN薄膜至n-BN层，在p-GaN/i-GaN/n-BN上形成阶梯层；

（5）、用热蒸发或电子束蒸发设备在n-BN上沉积Ti/Au双层金属电极并退火，制备n-BN欧姆接触电极，其中Ti的厚度为10～20nm， Au的厚度为50～200nm，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300～600s。