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一种（B、Ga）共掺ZnO/ZnCdO/GaN结型结构的 中子探测器的制备方法

阅读：1016发布：2020-06-14

专利汇可以提供一种（B、Ga）共掺ZnO/ZnCdO/GaN结型结构的中子探测器的制备方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及一种（B、Ga）共掺ZnO/ZnCdO/GaN结型结构的中子探测器的制备方法，属于辐射探测器器件制造工艺技术领域。本发明是在p型GaN衬底上采用射频磁控溅射法制备一层n型ZnCdO 薄膜，再在其上制备表面均匀，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B、Ga共掺ZnO闪烁体薄膜/GaN 异质结结构的中子探测器提供了方法。本发明是一种B、Ga共掺ZnO闪烁体薄膜/ZnCdO薄膜/GaN异质结结构的中子探测器。其特点在于，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ZnCdO薄膜层吸收紫外线，进行光电转换，从而实现中子探测。，下面是一种（B、Ga）共掺ZnO/ZnCdO/GaN结型结构的中子探测器的制备方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种（B、Ga）共掺ZnO/ZnCdO/GaN结型结构的中子探测器的制备方法，其特征在于具有以下的工艺过程和步骤：
（a）GaN衬底的清洗：在沉积之前，将衬底用去离子水、丙酮和乙醇分别超声清洗10～20分钟，洗去表面的杂质与有机物，用高纯N2气吹干后放入磁控溅射反应腔体内；
（b）ZnCdO 薄膜层的制备：采用Cd掺杂量1-10wt%的ZnO陶瓷靶通过射频磁控溅射的方法在p型GaN衬底上沉积ZnCdO薄膜，溅射气氛为氩气，将衬底加热到100 500℃，溅射气压1~ ~
6mTorr；溅射功率50 300W，预溅射5-15分钟（min）后，打开挡板正式溅射30 200min后，薄膜~ ~
厚度0.2 1mm；
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（c）B、Ga共掺ZnO/ZnCdO/GaN 异质结结构中子探测器的制备：在ZnCdO薄膜层上采用磁控溅射法制备B、Ga共掺ZnO闪烁体薄膜，采用B掺杂量1% 30wt%、Ga掺杂量1% 10wt%的ZnO陶~ ~
瓷靶为靶材，溅射气氛为氩气，将衬底加热到100 500℃，溅射气压1 20mTorr；溅射功率50~ ~ ~
300W，预溅射1-15min后，打开挡板正式溅射30 200min后，薄膜厚度0.1 2mm；
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（d）电极制备：利用掩模版分别在上述GaN衬底以及B、Ga共掺ZnO薄膜上表面采用蒸镀、或电子束蒸发或溅射方法制备50-500nm厚的Ti/Al复合金属电极，然后在真空中100-800°C 退火1-30分钟以形成良好的欧姆接触。

说明书全文

一种（B、Ga）共掺ZnO/ZnCdO/GaN结型结构的 中子探测器的制

备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种（B、Ga）共掺ZnO/ZnCdO/GaN结型结构的中子探测器的制备方法，属于辐射探测器器件制造工艺技术领域。

背景技术

[0002] 随着公共安全、核工业、科学研究及航空航天等需要进行辐射监控的领域不断扩大，以及监控广度和深度要求的多样化，低功耗、快速响应、便携、性价比高的新型中子探测器成为重要发展方向之一。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（如半导体探测器）并集成化是研究重点之一。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。

[0003] ZnO是重要的 - 族化合物半导体，宽直接带隙（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）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。

[0004] 薄膜制备相比单晶制备工艺简单，批量生长可行性高，且基于薄膜的平面特性适合制备大面积的平板探测器。ZnO薄膜可由化学方法制备，也可通过物理方法得到。在这些薄膜制备方法中，磁控溅射法是较为常用的一种方法，这种方法成本低、速度快、质量好，适用于大面积沉积薄膜。

[0005] 本发明为制备硼镓（B、Ga）共掺ZnO闪烁体薄膜/Cd掺杂ZnO薄膜/GaN结型结构的中子探测器。该器件结构中，B、Ga共掺ZnO闪烁体薄膜作为中子探测第一步中的中子转换层材料，该转换层利用10B(n,a)7Li反应将中子转换为a粒子，同时该转换层本身作为一种闪烁材料在a粒子激发下会发出特定波长的紫外光，而紫外光的波长在385-390nm之间，因此需要在硼镓（B、Ga）共掺ZnO闪烁体薄膜上再生长一层Cd掺杂ZnO薄膜用于吸收紫外光，从而间接实现对中子的探测。该结型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。

发明内容

[0006] 本发明是在p型GaN衬底上采用射频磁控溅射法制备一层n型Cd掺杂ZnO(ZnCdO)薄膜，再在其上制备表面均匀，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B、Ga共掺ZnO闪烁体薄膜/GaN 异质结结构的中子探测器提供了方法。

[0007] 为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

[0008] 本发明是一种n-BGZO/n- ZnCdO /p-GaN异质结型中子探测器的制备方法，其特征在于该方法包括如下过程和步骤：

[0009] （a）GaN衬底的清洗：在沉积之前，将衬底用去离子水、丙酮和乙醇分别超声清洗10～20分钟，洗去表面的杂质与有机物，用高纯N2气吹干后放入磁控溅射反应腔体内；

[0010] （b）ZnCdO薄膜层的制备：采用Cd掺杂量1-10wt%的ZnO陶瓷靶通过射频磁控溅射的方法在p型GaN衬底上沉积ZnCdO薄膜，溅射气氛为氩气，将衬底加热到100 500℃，溅射气压~1 6mTorr；溅射功率50 300W，预溅射5-15分钟（min）后，打开挡板正式溅射30 200min后，薄~ ~ ~
膜厚度0.2 1mm；
~

[0011] （c）B、Ga共掺ZnO/ZnCdO/GaN异质结结构中子探测器的制备：在ZnCdO薄膜层上采用磁控溅射法制备B、Ga共掺ZnO闪烁体薄膜，采用B掺杂量1% 30wt%、Ga掺杂量1% 10wt%的~ ~ZnO陶瓷靶为靶材，溅射气氛为氩气，将衬底加热到100 500℃，溅射气压1 20mTorr；溅射功~ ~
率50 300W，预溅射1-15min后，打开挡板正式溅射30 200min后，薄膜厚度0.1 2mm；
~ ~ ~

[0012] （d）电极制备：利用掩模版分别在上述GaN衬底以及B、Ga共掺ZnO薄膜上表面采用蒸镀、电子束蒸发或溅射方法制备50-500nm厚的Ti/Al复合金属电极，然后在真空中100-800°C 退火1-30分钟以形成良好的欧姆接触。

[0013] 有关本发明的机理、特点和优点

[0014] 本发明是一种B、Ga共掺ZnO闪烁体薄膜/ZnCdO薄膜/GaN异质结结构的中子探测器。其特点在于，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ZnCdO薄膜层吸收紫外线，进行光电转换，从而实现中子探测。

[0015] 同现有技术相比，本发明具有如下显著优点：

[0016] （1）相对于目前广泛采用的气体中子探测器来说，该发明为全固态中子探测器件，具有体积小、结构简单、能耗低、便携及成本低等特点。

[0017] （2）结型探测器相比与电阻型探测器响应速度相对较快。

[0018] （3）ZnO闪烁体具有目前已知最短的的衰减时间，仅次于金刚石的抗辐照性能，因此采用ZnO作为探测器材料能够工作在高通量、高能量的辐射条件下，也可以实现超高速响应的中子探测器。

[0019] （4）GaN与ZnO的晶格常数较为接近，晶格失配小，可以制备出性能优异的结型探测器。附图说明

[0020] 图1为本发明的中子探测器结构及原理示意图。

具体实施方式

[0021] 现将本发明的具体实施例叙述于后。实施例

[0022] 本实施例的制备过程和步骤如下：

[0023] （a）GaN衬底的清洗：在沉积之前，将厚度为2mm的GaN衬底用去离子水、丙酮和乙醇分别超声清洗10～20分钟，洗去表面的杂质与有机物，用高纯N2气吹干后放入磁控溅射反应腔体内。

[0024] （b）ZnCdO薄膜层的制备：采用Cd掺杂量10wt%的ZnO陶瓷靶通过射频磁控溅射的方法在p型GaN衬底上沉积ZnCdO薄膜，溅射气氛为氩气，衬底加热温度为200℃，溅射气压6mTorr，溅射功率150W，溅射时间200min，薄膜厚度约1mm。

[0025] （c）B、Ga共掺ZnO/ZnCdO/GaN异质结结构中子探测器的制备：在ZnCdO薄膜层上采用磁控溅射法制备B、Ga共掺ZnO闪烁体薄膜，采用B掺杂量30wt%、Ga掺杂量10wt%的ZnO陶瓷靶为靶材，溅射气氛为氩气，将衬底加热到200℃，溅射气压6mTorr；溅射功率150W，预溅射10min后，打开挡板正式溅射120min后，薄膜厚度0.7mm。

[0026] （d）电极制备：通过光刻工艺等制作叉指电极掩膜版，利用掩模版分别在上述GaN衬底以及B、Ga共掺ZnO薄膜上表面采用蒸镀、电子束蒸发或溅射方法制备100nm厚的Ti/Al复合金属电极，然后在真空中300°C退火1分钟以形成良好的欧姆接触。

[0027] 使用252Cf中子源对制备获得的B、Ga共掺ZnO/ZnCdO/GaN异质结结构中子探测器进行辐照，通过其在中子辐照前后的电流-电压特性比较发现，该器件对中子源有明显的响应，在-5V电压下，器件光电流/暗电流大于5。

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