本实用新型专利技术公开一种p‑GaN/i‑GaN/n‑BN中子探测器，该中子探测器由Al2O3衬底层、n‑BN层、i‑GaN层、p‑GaN层组成。本实用新型专利技术制备工艺简单、无需单独制备中子转换层，能量分辨率高、探测效率高且结构简单，在航空航天探索、核能利用与开发、放射性同位素的产生应用以及一些特殊领域有重要的应用价值。
A p GaNi GaN n BN neutron detector
The utility model discloses a p GaN/i GaN/n BN neutron detector, the neutron detector is composed of a Al2O3 substrate layer, n layer, I BN GaN p layer, GaN layer. The utility model has the advantages of simple preparation process, no preparation of neutron conversion layer separately, high energy resolution, high detection efficiency and has the advantages of simple structure, in the aerospace exploration, nuclear power generated by the application and development of radioactive isotopes, and some special field has important application value.
【技术实现步骤摘要】
一种pGaNiGaNnBN中子探测器
本技术涉及属于核辐射探测
，尤其是一种p-GaN/i-GaN/n-BN中子探测器。
技术介绍
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/GaNpin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。
技术实现思路
本技术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，本技术提供了一种p-GaN/i-GaN/n-BN中子探测器。本技术的技术方案为：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。（6）、用热蒸发或电子束蒸发设备在p-GaN上沉积Ni/Au双层金属电极并退火，制备p-GaN欧姆接触电极，其中Ni的厚度为10～20nm，Au的厚度为50～150nm，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。（7）、利用超声波金丝球焊机将制备好欧姆接触金属电极的p-GaN/i-GaN/n-BN分别用10～25μm金丝键合至PCB电路板，将含有p-GaN/i-GaN/n-BN的电路板封装到镀金的铝外壳中，完成探测器的装配。有关本技术的机理、特点和优点：本专利技术是一种p-GaN/i-GaN/n-BN结构的中子探测器。其特点在于，n-BN中的10B与中子发生核反应后产生α粒子，一部分α粒子电离n-BN产生电子空穴对；一部分α粒子在能量损失前进入i-GaN层并电离i-GaN材料产生电子空穴对。p-GaN/i-GaN/n-BN结构的中子探测器工作在反偏状态下，在外加电压形成的强电场的作用下，α粒子电离后产生的电子空穴对中，p-GaN形成的欧姆接触收集电子，n-BN形成的欧姆接触收集空穴。该探测器解决了传统半导体中子探测器需要中子转换层且转换后的α粒子只能向一个方向运行的矛盾要求，从而提高探测效率，实现中子探测。本技术的优点在于：1、本专利技术p-GaN/i-GaN/n-BN结构的中子探测器，当中子照射探测器时，n-BN中的10B直接与中子发生核反应产生α粒子，α粒子与BN和GaN相互作用电离出电子空穴对，常规半导体中子探测器需要中子转换层才能与中子发生核反应，且产生的α粒子只能向一个方向运动才能电离出电子空穴对，如果中子转换层太薄，中子与转换层发生反应的几率就小，产生的α粒子少，如果中子转换层太厚超过产生的α粒子的射程，α射出转换层的概率低，相对的探测效率低。本探测器克服了上述问题，提高了探测效率。2、n-BN、i-GaN和p-GaN薄膜都属于三族氮化物，具有氮化物特有的优异性质，禁带宽度大，耐高温，能够在较高的温度下工作，当工作温度升高时，其性能基本不发生变化；位移能大，耐辐照，能够在高辐照环境下工作。从而能够在严酷的环境中工作。3、n-BN、i-GaN和p-GaN薄膜外延生长都在一个金属有机物化学气相沉积系统中完成，外延生长工艺基本相同，制备工艺成熟、重复性好、成本低，可控性强，可以制备出性能优异的结型中子探测器。附图说明图1为本技术的p-GaN/i-GaN/n-BN中子探测器结构示意图；图2是涂正光刻胶后的图；图3是光刻并刻蚀后的图；图4是涂负光刻胶后的图；图5是在n-BN上沉积Ti/Au欧姆接触电极后的图；图6是涂负光刻胶后的图；图7是在p-GaN上沉积Ni/Au欧姆接触电极后的图。p-GaN/i-GaN/n-BN中子探测器制备过程示意图如图2、图3、图4、图5、图6、图7所示。图中:1、Al2O3衬底层，2、n-BN，3、i-GaN，4、p-GaN，5、正光刻胶，6、负光刻胶，7、Ti/Au欧姆接触电极，8、Ni/Au欧姆接触电极,9、PCB电路板，10、金线。具体实施方式图1为p-GaN/i-GaN/n-BN结构的中子探测器的结构示意图。如图所示,在150μm厚的Al2O3衬底上利用金属有机物化学气相沉积技术外延生长n-BN、i-GaN和p-GaN结构,其中BN中的B为B的同位素10B；而后利用电感耦合等离子体刻蚀出n-BN的欧姆接触图形并利用电子本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种p‑GaN/i‑GaN/n‑BN中子探测器，其特征在于：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。
【技术特征摘要】
1.一种p-GaN/i-GaN/n-BN中子探测器，其特征在于：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。2.根据权利要求1所述的p-GaN/i-GaN/n-BN中子探测器，其特征在于：所述Al2O3衬底层，厚度为150～200μm，晶向为c轴0001面。3.根据权利要求1所述的p-GaN/i-GaN/n-BN中子探测器，其特征在于：所述中子转换层兼电荷收集层n-BN，其中BN...
【专利技术属性】
技术研发人员：朱志甫，汤彬，邹继军，彭新村，
申请(专利权)人：东华理工大学，
类型：新型
国别省市：江西,36
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