一种具有PIN微结构的AlGaAs/GaAs中子探测器

摘要

一种具有PIN微结构的AlGaAs/GaAs中子探测器，以n型GaAs作为衬底层，在GaAs衬底层上依次生长变掺杂变组分n型AlGaAs N层、本征GaAs I层、变掺杂变组分p型AlGaAs P层及p型GaAs欧姆接触帽层；再在p型GaAs欧姆接触帽层上沉积SiO2钝化层，而后依次刻蚀变掺杂变组分n型AlGaAs N层、本征GaAs I层、变掺杂变组分p型AlGaAs P层和p型GaAs欧姆接触帽层以形成微结构；再在经套刻后的p型GaAs欧姆接触帽层与GaAs衬底层上形成p型电极层与n型电极层；最后在微结构内填充有中子转换层，本发明可增加载流子收集效率、减小漏电流，以提高中子探测器探测效率。

说明书

技术领域

本发明涉及半导体核辐射探测技术领域，尤其涉及一种具有PIN微结构的AlGaAs/GaAs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。作为一种新型的探测技术，为了发挥其探测性能，有研究人员开展了相关研究，制备了多种GaAs核辐射探测器。2002年，McGregor等曾用GaAs材料进行过尝试，在半绝缘GaAs衬底上制作了圆孔型中子探测器，圆孔中填充

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种具有PIN微结构的AlGaAs/GaAs中子探测器，以解决上述背景技术中的问题。

本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：

一种具有PIN微结构的AlGaAs/GaAs中子探测器，以n型GaAs作为衬底层，在GaAs衬底层上采用金属有机物化学气相沉积技术依次生长变掺杂变组分n型AlGaAs N层、本征GaAs I层、变掺杂变组分p型AlGaAs P层及p型GaAs欧姆接触帽层；再利用等离子体增强化学气相沉积技术在p型GaAs欧姆接触帽层上沉积SiO

一种具有PIN微结构的AlGaAs/GaAs中子探测器制备方法，具体步骤如下：

首先，选取n型GaAs材料做衬底，要求其位错密度低于10

在GaAs衬底层上采用金属有机物化学气相沉积技术外延生长厚度为6μm、n型掺杂浓度从(0.5～5)×10

在变掺杂变组分n型AlGaAs N层上生长厚度为1～4μm的本征GaAs作为PIN结构中的I层；

在本征GaAs I层上再生长厚度为2～18μm、p型掺杂浓度从(0.5～5)×10

在变掺杂变组分p型AlGaAs P层上生长一层厚度为50～200nm、掺杂浓度为(0.2～1)×10

利用等离子体增强化学气相沉积技术在p型GaAs欧姆接触帽层上生长一层厚度为100～800nm的SiO

利用匀胶机在SiO

在获取的中子探测器光刻一次掩模图像上通过反应离子刻蚀技术刻蚀掉已曝光部分的SiO

再将PIN微结构顶部含有负性光刻胶层的材料采用丙酮、乙醇、去离子水各超声清洗3～5min，以去除负性光刻胶层；

在去除负性光刻胶层的基础上，将PIN微结构顶部含有的SiO

在去除PIN微结构顶部含有的SiO

通过电子束蒸发技术，在获得的中子探测器光刻二次掩模图像的图案正面上依次沉积Ti/Pt/Au作为欧姆接触金属，形成p型电极层，其中Ti的厚度为40～60nm，Pt的厚度为40～60nm，Au的厚度为180～220nm；

加热并通过丙酮将正性光刻胶层及其上面的金属进行剥离，得中子探测器中间体，加热温度为60～70℃，剥离18～22min，而后将中子探测器中间体依次放入乙醇、去离子水各超声清洗3～5min；

通过电子束蒸发技术，在获得的中子探测器中间体背面GaAs衬底层上依次沉积AuGe/Ni/Au作为欧姆接触金属，形成n型电极层，其中，AuGe的厚度为80～120nm，Ni的厚度为20～40nm，Au的厚度为180～220nm；沉积金属后对欧姆接触进行退火处理，退火温度为350～450℃，退火时间为50～70s，得中子探测器转换体；

进行中子转换层填充，采用超声、低压冷凝与离心相结合的填充法，首先采用低压冷凝产生

本发明的机理为：AlGaAs/GaAs中子探测器当有中子照射时，中子转换层中的

有益效果：

1)本发明制备的中子探测器采用微结构，能够增大中子转换材料与半导体材料的接触面积，从而大幅度提高半导体中子探测器的热中子探测效率；

2)本发明制备的中子探测器采用变掺杂变组分AlGaAs/GaAs结构，从而使得在P区和N区内部产生内建电场，内建电场将驱动产生的电子、空穴分别向两端定向运动，有效增加收集效率，从而提高中子探测器的灵敏度及探测效率，且工作时可降低反偏电压的大小，甚至可在零偏压下工作，进而减小中子探测器的漏电流。

附图说明

图1为本发明的较佳实施例中的n型GaAs衬底层结构示意图。

图2为本发明的较佳实施例中的外延生长变掺杂变组分n型AlGaAs N层结构示意图。

图3为本发明的较佳实施例中的外延生长本征GaAs I层结构示意图。

图4为本发明的较佳实施例中的外延生长变掺杂变组分p型AlGaAs P层结构示意图。

图5为本发明的较佳实施例中的外延生长p型GaAs欧姆接触帽层结构示意图。

图6为本发明的较佳实施例中的沉积SiO

图7为本发明的较佳实施例中的旋涂有负性光刻胶层结构示意图。

图8为本发明的较佳实施例中的中子探测器光刻一次掩模图像结构示意图。

图9为本发明的较佳实施例中的蚀掉已曝光部分的SiO

图10为本发明的较佳实施例中的刻蚀外延层后结构示意图。

图11为本发明的较佳实施例中的去除负性光刻胶层后结构示意图。

图12为本发明的较佳实施例中的去除SiO

图13为本发明的较佳实施例中的中子探测器光刻二次掩模图像结构示意图。

图14为本发明的较佳实施例中的沉积p型电极层结构示意图。

图15为本发明的较佳实施例中的剥离正性光刻胶层结构示意图。

图16为本发明的较佳实施例中的沉积n型电极层结构示意图。

图17为本发明的较佳实施例中的填充中子转换层结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

实施例1

一种具有PIN沟槽结构的AlGaAs/GaAs中子探测器制备方法，具体步骤如下：

如图1所示，首先，准备n型掺杂浓度为1×10

如图2所示，在GaAs衬底层1上采用金属有机物化学气相沉积技术外延生长厚度为6μm、n型掺杂浓度从1×10

如图3所示，在变掺杂变组分n型AlGaAs N层2上生长厚度为2μm的本征GaAs作为I层3；

如图4所示，在本征GaAs I层3上再生长厚度为10μm、p型掺杂浓度从1×10

如图5所示，在变掺杂变组分p型AlGaAs P层4上生长一层厚度为100nm、掺杂浓度为5×10

如图6所示，利用等离子体增强化学气相沉积技术在p型GaAs欧姆接触帽层5上生长一层厚度为100nm的SiO

如图7所示，利用匀胶机在SiO

如图9所示，在获取的中子探测器光刻一次掩模图像上通过反应离子刻蚀技术刻蚀掉已曝光部分的SiO

如图11所示，再将PIN沟槽结构顶部含有负性光刻胶层7的材料采用丙酮、乙醇、去离子水各超声清洗3min，以去除负性光刻胶层7；

如图12所示，在去除负性光刻胶层7的基础上，将PIN沟槽结构顶部含有的SiO

如图13所示，在去除PIN沟槽结构顶部含有的SiO

如图14所示，通过电子束蒸发技术，在获得的中子探测器光刻二次掩模图像的图案正面上依次沉积Ti/Pt/Au作为欧姆接触金属，形成p型电极层9，其中Ti的厚度为50nm，Pt的厚度为50nm，Au的厚度为200nm；

如图15所示，加热并通过丙酮将正性光刻胶层8及其上面的金属进行剥离，得中子探测器中间体，加热温度为60℃，剥离20min，而后将中子探测器中间体依次放入乙醇、去离子水各超声清洗3min；

如图16所示，通过电子束蒸发技术，在获得的中子探测器中间体背面GaAs衬底层1上依次沉积AuGe/Ni/Au作为欧姆接触金属，形成n型电极层10，其中AuGe的厚度为100nm，Ni的厚度为35nm，Au的厚度为200nm；沉积金属后对欧姆接触进行退火处理，退火温度为400℃，退火时间为60s，得中子探测器转换体；

如图17所示，进行中子转换层填充，采用超声与离心相结合的填充法，称取0.1g

实施例2

一种PIN柱状结构AlGaAs/GaAs中子探测器制备方法，具体步骤如下：

如图1所示，首先，准备n型掺杂浓度为1×10

如图2所示，在GaAs衬底层1上采用金属有机物化学气相沉积技术外延生长厚度为8μm、n型掺杂浓度从1×10

如图3所示，在变掺杂变组分n型AlGaAs N层2上生长厚度为3μm的本征GaAs作为I层3；

如图4所示，在本征GaAs I层3上生长厚度为14μm、p型掺杂浓度从1×10

如图5所示，在变掺杂变组分p型AlGaAs P层4上生长一层厚度为100nm、掺杂浓度为5×10

如图6所示，利用等离子体增强化学气相沉积技术在p型GaAs欧姆接触帽层5上生长一层厚度为100nm的SiO

如图7所示，利用匀胶机在SiO

如图9所示，在获取的中子探测器光刻一次掩模图像上通过反应离子刻蚀技术刻蚀掉已曝光部分的SiO

如图11所示，再将PIN柱状结构顶部含有负性光刻胶层7的材料采用丙酮、乙醇、去离子水各超声清洗3min，以去除负性光刻胶层7；

如图12所示，在去除负性光刻胶层7的基础上，将PIN柱状结构顶部含有的SiO

如图13所示，在去除PIN柱状结构顶部含有的SiO

如图14所示，通过电子束蒸发技术，在获得的中子探测器光刻二次掩模图像的图案正面上依次沉积Ti/Pt/Au作为欧姆接触金属，形成p型电极层9，其中Ti的厚度为50nm，Pt的厚度为50nm，Au的厚度为200nm；

如图15所示，加热并通过丙酮将正性光刻胶层8及其上面的金属进行剥离，得中子探测器中间体，加热温度为60℃，剥离20min；

将如图16所示，通过电子束蒸发技术，在获得的中子探测器中间体背面GaAs衬底层1上依次沉积AuGe/Ni/Au作为欧姆接触金属，形成n型电极层10，其中AuGe的厚度为100nm，Ni的厚度为35nm，Au的厚度为200nm；沉积金属后对欧姆接触进行退火处理，退火温度为400℃，退火时间为60s，得中子探测器转换柱体；

如图17所示，进行中子转换层的填充，采用超声与离心相结合的填充法，首先称取0.1g

实施例3

一种具有PIN孔型结构AlGaAs/GaAs中子探测器制备方法，具体步骤如下：

如图1所示，首先，准备n型掺杂浓度为1×10

如图2所示，在GaAs衬底层1上采用金属有机物化学气相沉积技术外延生长厚度为3μm、n型掺杂浓度从1×10

如图3所示，在变掺杂变组分n型AlGaAs N层2上生长厚度为1μm的GaAs作为I层3；

如图4所示，在本征GaAs I层3上再生长厚度为5μm、p型掺杂浓度从1×10

如图5所示，在变掺杂变组分p型AlGaAs P层4上生长一层厚度为100nm、掺杂浓度为5×10

如图6所示，利用等离子体增强化学气相沉积技术在p型GaAs欧姆接触帽层5上生长一层厚度为100nm的SiO

如图7所示，利用匀胶机在SiO

如图9所示，在获取的中子探测器光刻一次掩模图像上通过反应离子刻蚀技术刻蚀掉已曝光部分的SiO

如图11所示，再将PIN孔型结构顶部含有负性光刻胶层7的材料采用丙酮、异丙醇、去离子水各超声清洗3min，以去除负性光刻胶层7；

如图12所示，在去除负性光刻胶层7的基础上，将PIN孔型结构顶部含有的SiO

如图13所示，在去除PIN孔型结构顶部含有的SiO

如图14所示，通过电子束蒸发技术，在获得的中子探测器光刻二次掩模图像的图案正面上依次沉积Ti/Pt/Au作为欧姆接触金属，形成p型电极层9，其中Ti的厚度为50nm，Pt的厚度为50nm，Au的厚度为200nm；

如图15所示，加热并通过丙酮将正性光刻胶层8及其上面的金属进行剥离，得中子探测器中间体，加热温度为60℃，剥离20min；

将如图16所示，通过电子束蒸发技术，在获得的中子探测器中间体背面GaAs衬底层1上依次沉积AuGe/Ni/Au作为欧姆接触金属，形成n型电极层10，其中，AuGe的厚度为100nm，Ni的厚度为35nm，Au的厚度为200nm；沉积金属后对欧姆接触进行退火处理，退火温度为400℃，退火时间为60s，得中子探测器转换孔体；

如图17所示，进行中子转换层的填充，采用超声与离心相结合的填充法，首先称取0.1g