專利名稱：一種高阻GaN室溫核探測器及其制備方法
技術領域：
本發明涉及一種核輻射探測器及其制備方法，具體涉及一種高阻GaN室溫核探測 器及其制備方法。
背景技術：
室溫核輻射探測器是繼Li漂移Si、Li漂移Ge和高純Ge等需要在液氮溫度下工作 的探測器之后發展起來的一類新型固體探測器，具有室溫靈敏度高、噪聲低、響應光譜寬、 脈沖時間短、探測效率高、抗輻照損傷能力強、穩定性高等優點，在環境監測、核醫學、工業 無損檢測、安全檢查、核武器突防、航空航天、天體物理和高能物理等領域具有廣泛的用途， 已經成為現代高科技領域的前沿研究熱點之一。然而，由于室溫核輻射探測器要求在室溫下工作，且對能量分辨率和探測效率要 求較高，所以對制備探測器的材料也提出了很高的要求。一般認為必須滿足如下要求①較 高的原子序數，確保對射線有較高的阻止本領，從而保證探測器具有較高的探測效率；②較 大的禁帶寬度，保證探測器在室溫下工作時，具有較高的抗輻射性能和較低的漏電流；③良 好的工藝性能，容易制得純度高、完整性好的單晶體，同時具有優良的機械性能和化學穩定 性，便于進行機械加工，容易制作成勢壘接觸或歐姆接觸；④優異的物理性能，能耐較高的 反向偏壓，暗漏電流小，同時材料中載流子的遷移率·壽命積要大，確保探測器具有良好的 能量分辨率。此外，這些半導體材料在其材料外延、器件加工上也應有較為成熟的工藝，因 此，符合上述要求的材料很少。目前，研究較多的是CdaiTe(CZT)、HgI2和金剛石室溫核輻射探測器，美國、俄羅斯 等國都已將CZT晶體材料及其探測器商業化，然而，生長高質量的CZT晶體及制備優異性能 的探測器是相當困難的，并且其成本也非常昂貴。金剛石材料的生長一直是個難點，現今尚 未有很好的辦法獲得高質量的厚膜金剛石材料，所能生長成功的金剛石大都是多晶或非晶 的薄膜，因此金剛石室溫核輻射探測器的研究尚處在初步階段。HgI2雖然已研究多年，材料 生長也有很多突破，但是由于材料本身的物理化學的不穩定性，很難在探測器的應用道路 上有大的建樹。現今作為第三代半導體材料代表的GaN及其多元合金材料，因其獨特而優異的光 學和電學性能，備受學術界和工業界的關注和青睞，特別在光電子(如發光二極管LED和激 光二極管)和微電子(高電子遷移率晶體管HEMT)領域的研究和應用尤其活躍，是當今半 導體界的國際焦點。在探測器領域，GaN基材料也逐漸成為紫外探測器、特別是太陽光盲紫外探測器的 研究熱點。例如，《半導體學報》第25卷第6期第711頁至714頁的“GaN基肖特基結構紫 外探測器” 一文，即公開了一種GaN基的紫外探測器，由生長在藍寶石襯底上的20納米的 GaN緩沖層、1微米的η型GaN外延層和0. 6微米的本征GaN外延層構成，表面制備肖特基 電極，并通過光刻在η型GaN外延層上制備歐姆電極，具有良好的紫外探測性能。由于GaN 具有寬帶隙、強共價鍵結合、高熔點、高擊穿電場、抗腐蝕、抗輻射等優良性能，因此發明人認為其可以作為室溫核輻射探測器半導體材料，解決現有CZT、HgI2和金剛石室溫核輻射探 測器存在的問題。然而，現有的GaN紫外探測器厚度只有1 2微米，并不適用于室溫核輻 射探測，而且現有的GaN紫外探測器的低阻有源區也不適用于室溫核輻射探測。
發明內容
本發明的目的旨在提供一種高阻GaN室溫核探測器及其制備方法，獲得的探測器 應當具有良好的室溫靈敏度、探測效率和穩定性，同時簡化制備工藝，降低成本。為實現上述第一個目的，本發明所采用的技術方案是一種高阻GaN室溫核探測器，包括GaN活性結構和兩個接觸電極，其特征在 于所述GaN活性結構為單層或兩層以上的厚膜結構，其總厚度g的取值范圍為200 μ m
2000 μ m,所述兩個接觸電極分別設于GaN活性結構的兩側表面。上述技術方案中所述GaN活性結構為外延在基襯底上或為自支撐的單層高阻 GaN厚膜，或者為在單層高阻GaN厚膜的一面或兩面生長n_GaN薄膜構成的多層高阻GaN厚 膜，其電阻率大于IO6 Ω 011，所述基襯底可選包括51、6仏8、藍寶石、5比、2110、硼化鋯、金屬 合金、鎂鋁尖晶石、LiAlO2和LifeA中的一種。 進一步地，上述技術方案中所述單層高阻GaN厚膜為非摻雜高阻GaN膜，包括純 本征GaN膜和自補償GaN膜；或為摻雜高阻GaN膜，其摻雜有 ^、Μβ、&ι、Α1、Μη、(>、Οι、&、 Ti、Co、Ni、Cu 或 V 中的一種。更進一步地，上述技術方案中所述n-GaN薄膜為非摻雜或以IXlO17 IXlO19Cm-3的濃度摻雜Si。上述技術方案中所述兩個接觸電極為歐姆接觸電極或肖特基接觸電極，其中所 述歐姆接觸電極至少包括ITO、Ti/Al/Ni/Au或Ti/Al/Ti/Au ；所述肖特基接觸電極為Ni/ Au。本發明實現上述第二個目的所采用的一種技術方案是一種高阻GaN室溫核探測器的制備方法，其特征在于包括步驟I、采用MOCVD法，在Si、GaAs、藍寶石、SiC、SiO、硼化鋯、金屬合金、鎂鋁尖晶石、 LiAlO2或LifeA的基襯底上外延GaN薄膜，薄膜厚度為1 μ m 5 μ m ；II、將上述GaN薄膜作為新的襯底，使用HVPE法外延高阻GaN厚膜，使其厚度為 200 μ m 2000 μ m，且電阻率大于IO6 Ω · cm ；III、使用激光剝離法將上述高阻GaN厚膜從新的襯底上剝離，并采用化學機械拋 光法對該剝離制得的自支撐高阻GaN厚膜兩面進行拋光；IV、在上述自支撐高阻GaN厚膜的兩面分別沉積ITO、Ti/Al/Ni/Au、Ti/Al/Ti/Au 或Ni/Au中任意一種制得接觸電極；V、經PECVD沉積二氧化硅或氮化硅鈍化并封裝后制得高阻GaN室溫核探測器。上述一種制備方法中步驟II之前還包括步驟I1 將步驟I基襯底上外延GaN薄 膜作為新襯底，并于其上使用HVPE法外延n-GaN薄膜，作為步驟II外延高阻GaN厚膜的新 的襯底，所述n-GaN薄膜為非摻雜外延GaN膜或以1 X IO17 1 X 1019cm_3的濃度摻Si外延 GaN膜，薄膜厚度為10 μ m 50 μ m ；經步驟III剝離后得到自支撐n_GaN/高阻GaN的雙層 結構。
上述一種制備方法中步驟II之前還包括步驟I1 將步驟I基襯底上外延GaN薄 膜作為新襯底，并于其上使用HVPE法外延n-GaN薄膜，作為步驟II外延高阻GaN厚膜的新 的襯底，所述n-GaN薄膜為非摻雜外延GaN膜或以1 X IO17 1 X 1019cm_3的濃度摻Si外延 GaN膜，薄膜厚度為IOym 50μπι。并且步驟II與步驟III之間還包括步驟II1 將步驟 II制得的多層結構作為又一新襯底，并于其上使用HVPE法、MOCVD法或MBE法外延n-GaN 薄膜，所述n-GaN薄膜為非摻雜外延GaN膜或以1 X IO17 1 X IO19CnT3的濃度摻Si外延GaN 膜，薄膜厚度大于200nm ；經步驟III剝離后得到自支撐n-GaN/高阻GaN/n-GaN的三層結 構。進一步地，上述一種制備方法中，步驟II所述外延高阻GaN厚膜的方法包括使用 HVPE 外延摻雜有 Fe、Mg、Zn、Al、Mn、Cr、Ca、Sc、Ti、Co、Ni、Cu 或 V 之一的高阻 GaN 膜；使 用HVPE外延非摻雜高阻GaN膜后離子注入i^、Mg、Zn、Al、Mn、Cr、Ca、Sc、Ti、Co、Ni、Cu或 V之一；以及使用HVPE外延非摻雜的自補償高阻GaN膜。本發明實現上述第二個目的所采用的另一種技術方案是一種高阻GaN室溫核探測器的制備方法，其特征在于包括步驟I、采用MOCVD法，在Si、GaAs、藍寶石、SiC、SiO、硼化鋯、金屬合金、鎂鋁尖晶石、 LiAlO2或LifeA的基襯底上外延GaN薄膜，薄膜厚度為1 μ m 5 μ m ；II、將上述GaN薄膜作為新的襯底，使用HVPE法外延高阻GaN厚膜，使其厚度為 200 μ m 2000 μ m，且電阻率大于IO6 Ω · cm ；III、使用ICP刻蝕在上述高阻GaN厚膜上制備得到歐姆接觸電極的臺面，刻蝕深 度直至步驟I由MOCVD外延的GaN薄膜，并于所述臺面上沉積IT0、Ti/Al/Ni/Au或Ti/Al/ Ti/Au，制得歐姆接觸電極；IV、在上述高阻GaN厚膜未刻蝕區的表面沉積ITO、Ti/Al/Ni/Au、Ti/Al/Ti/Au或 Ni/Au中任意一種制得另一接觸電極；V、經PECVD沉積二氧化硅或氮化硅鈍化并封裝后制得高阻GaN室溫核探測器。上述另一種制備方法中步驟II之前還包括步驟I1 將步驟I基襯底上外延GaN 薄膜作為新襯底，并于其上使用HVPE法外延n-GaN薄膜，作為步驟II外延高阻GaN厚膜的 新的襯底，所述n-GaN薄膜為非摻雜外延GaN膜或以1 X IO17 1 X 1019cm_3的濃度摻Si外 延GaN膜，薄膜厚度為10 μ m 50 μ m ；步驟III中ICP刻蝕深度為不穿透至η-GaN薄膜的 高阻GaN厚膜底面，且刻蝕所得的臺面上沉積ITO、Ti/Al/Ni/Au、Ti/Al/Ti/Au或Ni/Au，制 得歐姆接觸電極或肖特基接觸電極。上述另一種制備方法中步驟II之前還包括步驟I1 將步驟I基襯底上外延GaN 薄膜作為新襯底，并于其上使用HVPE法外延n-GaN薄膜，作為步驟II外延高阻GaN厚膜的 新的襯底，所述n-GaN薄膜為非摻雜外延GaN膜或以1 X IO17 1 X 1019cm_3的濃度摻Si外 延GaN膜，薄膜厚度為ΙΟμπι 50μπι。并且步驟II與步驟III之間還包括步驟II1 將步 驟II制得的多層結構作為又一新襯底，并于其上使用HVPE法、MOCVD法或MBE法外延n-GaN 薄膜，所述n-GaN薄膜為非摻雜外延GaN膜或以1 X IO17 1 X IO19CnT3的濃度摻Si外延GaN 膜，薄膜厚度大于200nm ；步驟III中ICP刻蝕深度直至步驟I1外延的n-GaN薄膜，且刻蝕 所得的臺面上沉積ITO、Ti/Al/Ni/Au或Ti/Al/Ti/Au，制得歐姆接觸電極。進一步地，上述另一種制備方法中步驟II所述外延高阻GaN厚膜的方法包括使用 HVPE 外延摻雜有 Fe、Mg、Zn、Al、Mn、Cr、Ca、Sc、Ti、Co、Ni、Cu 或 V 之一的高阻 GaN 膜； 使用HVPE外延非摻雜高阻GaN膜后離子注入Fe、Mg、Zn、Al、Mn、Cr、Ca、Sc、Ti、Co、Ni、Cu 或V之一；以及使用HVPE外延非摻雜的自補償高阻GaN膜。通過上述技術方案的應用，本發明較之于現有技術，具有以下有點1.由于本發明采用的GaN厚膜厚度有200μπι 2000 μ m，適應于各種核輻射情 形，尤其是高能伽瑪射線和X-射線，GaN材料具有高電阻率、大原子序數、強共價鍵結合、高 熔點、高擊穿電場、抗腐蝕、抗輻射等優良性能，因此，用其制備的室溫核輻射探測器具有良 好的室溫靈敏度、探測效率和穩定性，可以減少成像劑量和提高影像分辨率，更適用于強輻 射場的探測領域，如強子對撞機系統和核聚變堆芯處的輻射探測，在射線醫學影像學和核 醫學領域有很好的應用前景。2.本發明某些實施方案采用垂直器件結構，將電極分別制作在探測器兩面，因而 省去了套刻光刻工藝，制備方法新穎，制作工藝簡單。3.由于本發明使用的GaN材料具有良好的機械性能和化學穩定性，其材料生長工 藝較為成熟，易制備得到高質量的GaN晶體材料。4.本發明的GaN材料具有更寬的禁帶寬度(GaN為3. 39，CZT為1. 5)，因此由其制 備的室溫核輻射探測器不需要通過降溫來減少熱噪聲，可以真正實現室溫工作。5.本發明采用厚膜高阻活性層，因此對電極接觸的性能要求就大大降低，制備工 藝窗口更寬。
圖1是本發明高阻GaN室溫核探測器實施例一的層次結構示意圖；圖2是本發明高阻GaN室溫核探測器實施例二的層次結構示意圖；圖3是本發明高阻GaN室溫核探測器實施例三的層次結構示意圖；圖4是本發明高阻GaN室溫核探測器實施例四的層次結構示意圖；圖5是本發明高阻GaN室溫核探測器實施例五的層次結構示意圖；圖6是本發明高阻GaN室溫核探測器實施例六的層次結構示意圖。其中1 基襯底；2 GaN薄膜；32、33、35、36 η-GaN薄膜；4 高阻GaN厚膜； 53、56 n-GaN薄膜；6 歐姆接觸電極；7 肖特基接觸電極。
具體實施例方式下面結合實施例對本發明作進一步描述實施例一如圖1所示，一種高阻GaN室溫核探測器一較佳實施例的層次結構示意圖。該核探 測器包括自支撐結構的高阻GaN厚膜4、n-GaN薄膜(或稱η型摻雜層)32和兩個接觸電極。 其中所述η型摻雜層32制于高阻GaN厚膜4的一面，接觸電極之一為歐姆接觸電極6，制于 η型摻雜層32的外側表面；而另一接觸電極為肖特基接觸電極7，直接制于高阻GaN厚膜4 相對于η型摻雜層32的另一外側表面。所述高阻GaN厚膜4為狗摻雜的單晶GaN膜，其厚度 為250 μ m,電阻率為1 X IO11 Ω -cm ；所述η型摻雜層(n-GaN薄膜)32的厚度為5 μ m，其摻硅 載流子濃度為IX IO18CnT3 ；所述歐姆接觸電極6為Ti/Al/Ti/AiK20nm/20nm20nm/300nm)，且肖特基接觸電極7為Ni/AiK25nm/25nm)。 本實施例的高阻GaN室溫核探測器的制備方法，包括如下步驟 I、采用金屬有機物化學氣相沉積(MOCVD)方法在藍寶石襯底上外延GaN薄膜(未
圖示)，厚度2μπι。II、將上述GaN薄膜作為新的襯底，使用氫化物氣相外延(HVPE)方法外延Si摻雜 的n-GaN薄膜32，摻雜濃度控制在1 X IO1W3,厚度40 μ m。III、將上述n-GaN薄膜作為新襯底，使用氫化物氣相外延(HVPE)方法外延高阻 GaN厚膜4，該高阻GaN厚膜4為！^摻雜GaN厚膜，電阻率為1 X IO11 Ω .cm (或大于100G Ω . cm),厚度 280 μ m。IV、使用激光剝離技術將GaN活性結構(即高阻GaN厚膜4+n-GaN薄膜32)從襯 底上剝離下來，成為自支撐n-GaN/高阻GaN的雙層結構。V、使用化學機械拋光技術將上述GaN活性結構剝離面進行單面拋光，使得n-GaN/ 高阻GaN的最終厚度是5 μ m/250 μ m。VI、在上述拋光后GaN活性結構的n-GaN薄膜表面采用磁控濺射的方式沉積Ti/ Al/Ti/Au (20nm/20nm/20nm/300nm)制得360nm厚的歐姆接觸電極，并在高阻GaN厚膜表面 使用電子束蒸發沉積Ni/Au (25nm/25nm)制得50nm厚的肖特基接觸電極。VII、使用PECVD沉積二氧化硅或氮化硅鈍化上述探測器。VIII、封裝制成高阻GaN室溫核探測器。實施例二如圖2所示，為本發明室溫核探測器實施例二的層次結構示意圖。該核探測器 的基本結構與實施例一基本相同，區別僅在于該GaN活性結構為單層的高阻GaN厚膜4， 而省去了 η型摻雜層，并且該GaN活性結構的上下表面制備的均為肖特基接觸電極Ni/ Au(25nm/25nm)。本實施例的高阻GaN室溫核探測器的制備方法，包括如下步驟I、采用金屬有機物化學氣相沉積(MOCVD)方法在藍寶石襯底上外延GaN薄膜(未 圖示)，厚度5μπι。II、將上述GaN薄膜作為新的襯底，使用氫化物氣相外延(HVPE)方法外延高阻GaN 厚膜4，該高阻GaN厚膜4為狗摻雜GaN厚膜，電阻率為IX IO12 Ω · cm(或大于100G Ω. cm)，厚度 2050 μ m。III、使用激光剝離技術將GaN活性結構(即單層高阻GaN厚膜4)從襯底上剝離 下來，成為自支撐高阻GaN厚膜結構。IV、使用化學機械拋光技術將上述GaN活性結構剝離面進行單面拋光，使得高阻 GaN厚膜4的最終厚度是2000 μ m。V、在上述自支撐高阻GaN厚膜的上下兩面都使用電子束蒸發沉積Ni/ Au (25nm/25nm)，獲得50nm厚的肖特基接觸電極。VI、使用PECVD沉積二氧化硅或氮化硅鈍化上述探測器。VII、封裝制成高阻GaN室溫核探測器。實施例三如圖3所示，為本發明室溫核探測器實施例三的層次結構示意圖。該核探測器的基本結構與實施例一基本相同，區別僅在于該GaN活性結構為在高阻GaN厚膜4的兩面均 復合有η型摻雜層33、53，并且該GaN活性結構的上下表面制備的均為歐姆接觸電極Ti/ Al/Ti/Au (20nm/20nm/20nm/300nm)。本實施例的高阻GaN室溫核探測器的制備方法，包括如下步驟I、采用金屬有機物化學氣相沉積(MOCVD)方法在藍寶石襯底上外延GaN薄膜(未 圖示)，厚度4μπι。II、將上述GaN薄膜作為新襯底，使用氫化物氣相外延(HVPE)方法外延Si摻雜的 n-GaN薄膜33，摻雜濃度控制在1 X 1017cnT3，厚度40 μ m。III、將上述n-GaN薄膜作為新的襯底，使用氫化物氣相外延(HVPE)方法外延高阻 GaN厚膜4，該高阻GaN厚膜4為！^摻雜GaN厚膜，電阻率為1 X IO11 Ω .Cm(或大于100G Ω . cm),厚度 250 μ m。IV、將上述多層結構作為又一新襯底，使用MOCVD方法外延Si摻雜的n-GaN薄膜 53，摻雜濃度控制在1 X 1019cnT3，厚度300nm。V、使用激光剝離技術將上述GaN活性結構(即n-GaN薄膜33+高阻GaN厚膜 4+n-GaN薄膜53)從襯底上剝離下來，成為自支撐三明治結構。VI、使用化學機械拋光技術將上述GaN活性結構剝離面進行單面拋光，使得 n-GaN/ 高阻 GaN/n_GaN 的最終厚度是 5 μ m/250 μ m/300nm。VII、在上述自支撐三明治結構的上下兩面都使用磁控濺射沉積Ti/Al/Ti/ Au (20nm/20nm/20nm/300nm)制得360nm厚的歐姆接觸電極。VIII、使用PECVD沉積二氧化硅或氮化硅鈍化上述探測器。IX、封裝制成高阻GaN室溫核探測器。實施例四如圖4所示，為本發明室溫核探測器實施例四的層次結構示意圖。該核探測器包 括外延在基襯底1(藍寶石)之上的GaN活性結構和兩個接觸電極。其中該GaN活性結構為 電阻率IXIOkiQ · cm、厚度210 μ m的高阻GaN厚膜4，并且具有向下刻蝕200 μ m的臺面。 該兩個接觸電極可均為肖特基接觸電極Ni/Au (25nm/25nm)，分別制于高阻GaN厚膜4及其 蝕刻臺面的表面上。本實施例的高阻GaN室溫核探測器的制備方法，包括如下步驟I、采用金屬有機物化學氣相沉積(MOCVD)方法在藍寶石的基襯底1上外延GaN薄 膜2，厚度Ιμπι。II、將上述GaN薄膜作為新的襯底，使用氫化物氣相外延(HVPE)方法外延高阻GaN 厚膜4，該高阻GaN厚膜4為Si摻雜GaN厚膜，電阻率為4Χ IO9 Ω · cm,厚度210 μ m。III、使用ICP刻蝕技術將上述高阻GaN厚膜4從上表面向下刻蝕200 μ m,形成接 觸電極臺面。IV、在上述接觸電極臺面和高阻GaN厚膜4未刻蝕區域的表面使用電子束蒸發沉 積Ni/Au (25nm/25nm)，制得肖特基接觸電極7 (下電極和上電極)。V、使用PECVD沉積二氧化硅或氮化硅鈍化上述探測器。VI、封裝制成高阻GaN室溫核探測器。實施例五
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如圖5所示，是本發明室溫核探測器實施例五的層次結構示意圖。該核探測器的 基本結構與實施例四基本相同，區別僅在于該GaN活性結構為單層的高阻GaN厚膜4與 η型摻雜層35 (n-GaN薄膜)的多層復合結構，并且該制于GaN活性結構刻蝕臺面上的為 歐姆接觸電極Ti/Al/Ni/Au (20nm/20nm/20nm/300nm)，其中該高阻GaN厚膜4的電阻率為 1 X IO11 Ω · cm,厚度 550 μ m,刻蝕深度為 550 μ m。本實施例的高阻GaN室溫核探測器的制備方法，包括如下步驟I、采用金屬有機物化學氣相沉積(MOCVD)方法在藍寶石的基襯底1上外延GaN薄 膜2，厚度Ιμπι。II、將上述GaN薄膜2作為新襯底，使用氫化物氣相外延(HVPE)方法外延Si摻雜 的n-GaN薄膜35，摻雜濃度控制在5 X IO1W3,厚度10 μ m。III、將上述n-GaN薄膜作為新的襯底，使用氫化物氣相外延(HVPE)方法外延高阻 GaN厚膜4，該高阻GaN厚膜4為！^摻雜GaN厚膜，電阻率為1 X IO11 Ω .Cm(或大于100G Ω . cm),厚度 550 μ m。IV、使用ICP刻蝕將上述高阻GaN厚膜4從上表面向下刻蝕550 μ m形成接觸電極 臺面，并使用磁控濺射在該刻蝕的臺面上沉積Ti/Al/Ni/Au (20nm/20nm/20nm/300nm)，制得 360nm厚的歐姆接觸電極6。V、再在該高阻GaN厚膜4未刻蝕區域的表面使用電子束蒸發沉積Ni/ Au (25nm/25nm)，制得50nm厚的肖特基接觸電極7。VI、使用PECVD沉積二氧化硅或氮化硅鈍化上述探測器。VII、封裝制成高阻GaN室溫核探測器。實施例六如圖6所示，是本發明室溫核探測器實施例五的層次結構示意圖。該核探測器的 基本結構與實施例五基本相同，區別僅在于該GaN活性結構為三明治結構，即單層的高阻 GaN厚膜4與兩側η型摻雜層36、56 (n-GaN薄膜)的多層復合結構。其中靠近基襯底1的 η型摻雜層36厚度為30 μ m,載流子濃度1 X IO18CnT3 ；高阻GaN厚膜4的厚度為880 μ m，電 阻率為IX IO11 Ω κπι，向下刻蝕890 μ m露出臺面；而另一層的η型摻雜層56厚度為5 μ m， 載流子濃度1 X 1017cnT3。而制于臺面及高阻GaN厚膜4未刻蝕區域表面的兩個接觸電極均 為 Ti/Al/Ti/Au(20nm/20nm/20nm/300nm)的歐姆接觸電極 6，其厚度均為 20nm。本實施例的高阻GaN室溫核探測器的制備方法，包括如下步驟I、采用金屬有機物化學氣相沉積(MOCVD)方法在藍寶石的基襯底1上外延GaN薄 膜2，厚度5 μ m。II、將上述GaN薄膜2作為新襯底，使用氫化物氣相外延(HVPE)方法外延Si摻雜 的n-GaN薄膜36，摻雜濃度控制在5 X IO1W3,厚度30 μ m。III、將上述n-GaN薄膜作為新的襯底，使用氫化物氣相外延(HVPE)方法外延高阻 GaN厚膜4，該高阻GaN厚膜4為！^摻雜GaN厚膜，電阻率為1 X IO11 Ω .Cm(或大于100G Ω . cm),厚度 880 μ m。IV、將上述多層結構作為又一新襯底，使用MEB方法外延Si摻雜的n-GaN薄膜56， 摻雜濃度控制在ι χ IO19Cm"3,厚度5 μ m。V、使用ICP刻蝕將上述三明治的GaN活性結構，從上表面向下刻蝕890μπι形成接觸電極臺面，并使用磁控濺射在該刻蝕的臺面上沉積Ti/Al/Ti/ Au (20nm/20nm/20nm/300nm)，制得 360nm 厚的歐姆接觸電極 6。VI、再在該GaN活性結構未刻蝕區域也使用磁控濺射的方法沉積Ti/Al/Ti/ Au (20nm/20nm/20nm/300nm)，制得 360nm 歐姆接觸電極 6。VII、使用PECVD沉積二氧化硅或氮化硅鈍化上述探測器。VIII、封裝制成高阻GaN室溫核探測器。實施例七再參考圖4，為本發明室溫核探測器實施例七的層次結構示意圖。該核探測器包括 外延在基襯底1 (藍寶石)之上的GaN活性結構和兩個接觸電極。其中該GaN活性結構為 電阻率1 X IO6 Ω · cm、厚度210 μ m的高阻GaN厚膜4，并且具有向下刻蝕200 μ m的臺面。 該兩個接觸電極可均為肖特基接觸電極Ni/Au (25nm/25nm)，分別制于高阻GaN厚膜4及其 蝕刻臺面的表面上。本實施例的高阻GaN室溫核探測器的制備方法，包括如下步驟I、采用金屬有機物化學氣相沉積(MOCVD)方法在藍寶石的基襯底1上外延GaN薄 膜2，厚度1·5μπι。II、將上述GaN薄膜作為新的襯底，使用氫化物氣相外延(HVPE)方法外延高阻GaN 厚膜4，該高阻GaN厚膜4為Si摻雜GaN厚膜，電阻率為1 X IO6 Ω · cm,厚度210 μ m。III、使用ICP刻蝕技術將上述高阻GaN厚膜4從上表面向下刻蝕200 μ m，形成接 觸電極臺面。IV、在上述接觸電極臺面和高阻GaN厚膜4未刻蝕區域的表面使用電子束蒸發沉 積Ni/Au (25nm/25nm)，制得肖特基接觸電極7 (下電極和上電極)。V、使用PECVD沉積二氧化硅或氮化硅鈍化上述探測器。VI、封裝制成高阻GaN室溫核探測器。除上述多個實施例的核探測器層次結構及制備方法外，本發明可選的實施方案具 有廣泛的多樣性。例如一、所用的基襯底不限于實施例所述的藍寶石，其還可以選用包括 Si、GaAs、SiC、&iO、硼化鋯、金屬合金、鎂鋁尖晶石、LiAlO2和LifeA中的任意一種；二、GaN 活性結構中的核心部分——高阻GaN厚膜可以為摻雜外延生長、非故意摻雜外延生長后離 子注入或非故意摻雜的純本征GaN膜和自補償GaN膜，其中摻雜的雜質選材也不限于實施 例所述的卩6，還包括]\%、&1、六1、]\111、0、03、&、11、(0、慰、01或￥中的一種，凡此等等。綜上所述，本發明技術方案得到的高阻GaN室溫核探測器，采用厚度200μπι 2000 μ m的厚膜，適應于各種核輻射情形，尤其是高能伽瑪射線和X-射線，GaN材料具有 高電阻率、大原子序數、強共價鍵結合、高熔點、高擊穿電場、抗腐蝕、抗輻射等優良性能，因 此，用其制備的室溫核輻射探測器具有良好的室溫靈敏度、探測效率和穩定性，可以減少成 像劑量和提高影像分辨率，更適用于強輻射場的探測領域，如強子對撞機系統和核聚變堆 芯處的輻射探測，在射線醫學影像學和核醫學領域有很好的應用前景。此外，本發明某些實施方案采用垂直器件結構，將電極分別制作在探測器兩面，因 而省去了套刻光刻工藝，制備方法新穎，制作工藝簡單；由于GaN材料具有更寬的禁帶寬 度O^aN為3. 39，CZT為1. 5)，因此由其制備的室溫核輻射探測器不需要通過降溫來減少熱 噪聲，可以真正實現室溫工作；采用厚膜高阻活性層，因此對電極接觸的性能要求就大大降低，制備工藝窗口更寬。
權利要求
1.一種高阻GaN室溫核探測器，包括GaN活性結構和兩個接觸電極，其特征在于 所述GaN活性結構為單層或兩層以上的厚膜結構，其總厚度g的取值范圍為200 μ m2000 μ m,所述兩個接觸電極分別設于GaN活性結構的兩側表面。
2.根據權利要求1所述的一種高阻GaN室溫核探測器，其特征在于所述GaN活性結 構為外延在基襯底上或為自支撐的單層高阻GaN厚膜，其電阻率大于106Ω · cm，所述基襯 底可選包括Si、GaAs、藍寶石、SiC、ZnO、硼化鋯、金屬合金、鎂鋁尖晶石、LiAW2和LifeA中 的一種。
3.根據權利要求1所述的一種高阻GaN室溫核探測器，其特征在于所述GaN活性結構 為外延在基襯底上或為自支撐的多層高阻GaN厚膜，所述多層高阻GaN厚膜為在單層高阻 GaN厚膜的一面或兩面生長n-GaN薄膜構成，其電阻率大于106Ω · cm，所述基襯底可選包 括Si、GaAs、藍寶石、SiC、SiO、硼化鋯、金屬合金、鎂鋁尖晶石、LiAlO2和LifeA中的一種。
4.根據權利要求2或3所述的一種高阻GaN室溫核探測器，其特征在于所述單層高 阻GaN厚膜為非摻雜高阻GaN膜，包括純本征GaN膜和自補償GaN膜。
5.根據權利要求2或3所述的一種高阻GaN室溫核探測器，其特征在于所述單層高 阻 GaN 厚膜為摻雜高阻 GaN 膜，其摻雜有 Fe、Mg、Zn、Al、Mn、Cr、Ca、Sc、Ti、Co、Ni、Cu 或 V 中的一種。
6.根據權利要求3所述的一種高阻GaN室溫核探測器，其特征在于所述n-GaN薄膜 為非摻雜或以IX IO17 IX IO19CnT3的濃度摻雜Si。
7.根據權利要求1所述的一種高阻GaN室溫核探測器，其特征在于所述兩個接觸電 極為歐姆接觸電極或肖特基接觸電極，其中所述歐姆接觸電極至少包括ITO、Ti/Al/Ni/Au 或Ti/Al/Ti/Au ；所述肖特基接觸電極為Ni/Au。
8.一種高阻GaN室溫核探測器的制備方法，其特征在于包括步驟I、采用MOCVD法，在Si、GaAs、藍寶石、SiC、ZnO、硼化鋯、金屬合金、鎂鋁尖晶石、LiAW2 或LiGaA的基襯底上外延GaN薄膜，薄膜厚度為1 μ m 5 μ m ；II、將上述GaN薄膜作為新的襯底，使用HVPE法外延高阻GaN厚膜，使其厚度為 200 μ m 2000 μ m，且電阻率大于IO6 Ω · cm ；III、使用激光剝離法將上述高阻GaN厚膜從新的襯底上剝離，并采用化學機械拋光法 對該剝離制得的自支撐高阻GaN厚膜兩面進行拋光；IV、在上述自支撐高阻GaN厚膜的兩面分別沉積ITO、Ti/Al/Ni/Au、Ti/Al/Ti/Au或Ni/ Au中任意一種制得接觸電極；V、經PECVD沉積二氧化硅或氮化硅鈍化并封裝后制得高阻GaN室溫核探測器。
9.根據權利要求8所述的一種高阻GaN室溫核探測器的制備方法，其特征在于步驟II 之前還包括步驟I1 將步驟I基襯底上外延GaN薄膜作為新襯底，并于其上使用HVPE法外 n-GaN薄膜，作為步驟II外延高阻GaN厚膜的新的襯底，所述n_GaN薄膜為非摻雜外延GaN 膜或以1 X IO17 1 X IO19CnT3的濃度摻Si外延GaN膜，薄膜厚度為10 μ m 50 μ m ；經步驟 III剝離后得到自支撐n-GaN/高阻GaN的雙層結構。
10.根據權利要求8所述的一種高阻GaN室溫核探測器的制備方法，其特征在于步驟II之前還包括步驟I1 將步驟I基襯底上外延GaN薄膜作為新襯底，并于其上使用HVPE法外延n-GaN薄膜，作為步驟II外延高阻GaN厚膜的新的襯底，所述n_GaN薄膜為非摻雜外延GaN膜或以1 X IO17 1 X IO19CnT3的濃度摻Si外延GaN膜，薄膜厚度為10 μ m 50μπι ；并且步驟II與步驟III之間還包括步驟II1 將步驟II制得的多層結構作為又一新襯底， 并于其上使用HVPE法、MOCVD法或MBE法外延n-GaN薄膜，所述n-GaN薄膜為非摻雜外延 GaN膜或以1 X IO17 1 X IO19CnT3的濃度摻Si外延GaN膜，薄膜厚度大于200nm ；經步驟III剝離后得到自支撐n-GaN/高阻GaN/n-GaN的三層結構。
11.根據權利要求8 10中任一項所述的一種高阻GaN室溫核探測器的制備方法，其 特征在于步驟II所述外延高阻GaN厚膜的方法包括使用HVPE外延摻雜有i^e、Mg、ai、Al、 Mn、Cr、Ca、Sc、Ti、Co、Ni、Cu或V之一的高阻GaN膜；使用HVPE外延非摻雜高阻GaN膜后 離子注入Fe、Mg、Zn、Al、Mn、Cr、Ca、Sc、Ti、Co、Ni、Cu或V之一；以及使用HVPE外延非摻 雜的自補償高阻GaN膜。
12.—種高阻GaN室溫核探測器的制備方法，其特征在于包括步驟I、采用MOCVD法，在Si、GaAs、藍寶石、SiC、ZnO、硼化鋯、金屬合金、鎂鋁尖晶石、LiAW2 或LiGaA的基襯底上外GaN薄膜，薄膜厚度為1 μ m 5 μ m ；II、將上述GaN薄膜作為新的襯底，使用HVPE法外延高阻GaN厚膜，使其厚度為 200 μ m 2000 μ m，且電阻率大于IO6 Ω · cm ；III、使用ICP刻蝕在上述高阻GaN厚膜上制備得到歐姆接觸電極的臺面，刻蝕深度直 至步驟I由MOCVD外延的GaN薄膜，并于所述臺面上沉積ITO、Ti/Al/Ni/Au或Ti/Al/Ti/ Au，制得歐姆接觸電極；IV、在上述高阻GaN厚膜未刻蝕區的表面沉積ITO、Ti/Al/Ni/Au、Ti/Al/Ti/Au或Ni/ Au中任意一種制得另一接觸電極；V、經PECVD沉積二氧化硅或氮化硅鈍化并封裝后制得高阻GaN室溫核探測器。
13.根據權利要求12所述的一種高阻GaN室溫核探測器的制備方法，其特征在于步驟 II之前還包括步驟I1 將步驟I基襯底上外延GaN薄膜作為新襯底，并于其上使用HVPE法 外延n-GaN薄膜，作為步驟II外延高阻GaN厚膜的新的襯底，所述n-GaN薄膜為非摻雜外 延GaN膜或以1 X IO17 1 X IO19CnT3的濃度摻Si外延GaN膜，薄膜厚度為10 μ m 50 μ m ； 步驟III中ICP刻蝕深度為不穿透至n-GaN薄膜的高阻GaN厚膜底面，且刻蝕所得的臺面 上沉積ITO、Ti/Al/Ni/Au、Ti/Al/Ti/Au或Ni/Au，制得歐姆接觸電極或肖特基接觸電極。
14.根據權利要求12所述的一種高阻GaN室溫核探測器的制備方法，其特征在于步驟II之前還包括步驟I1 將步驟I基襯底上外延GaN薄膜作為新襯底，并于其上使用HVPE法外延n-GaN薄膜，作為步驟II外延高阻GaN厚膜的新的襯底，所述n_GaN薄膜為 非摻雜外延GaN膜或以1 X IO17 1 X IO19CnT3的濃度摻Si外延GaN膜，薄膜厚度為10 μ m 50μπι ；并且步驟II與步驟III之間還包括步驟II1 將步驟II制得的多層結構作為又一新襯底， 并于其上使用HVPE法、MOCVD法或MBE法外延n-GaN薄膜，所述n-GaN薄膜為非摻雜外延 GaN膜或以1 X IO17 1 X IO19CnT3的濃度摻Si外延GaN膜，薄膜厚度大于200nm ；步驟III 中ICP刻蝕深度直至步驟I1外延的n-GaN薄膜，且刻蝕所得的臺面上沉積ITO、Ti/Al/Ni/ Au或Ti/Al/Ti/Au，制得歐姆接觸電極。
15.根據權利要求12 14中任一項所述的一種高阻GaN室溫核探測器的制備方法，其特征在于步驟II所述外延高阻GaN厚膜的方法包括使用HVPE外延摻雜有i^e、Mg、ai、Al、 Mn、Cr、Ca、Sc、Ti、Co、Ni、Cu或V之一的高阻GaN膜；使用HVPE外延非摻雜高阻GaN膜后 離子注入Fe、Mg、Zn、Al、Mn、Cr、Ca、Sc、Ti、Co、Ni、Cu或V之一；以及使用HVPE外延非摻 雜的自補償高阻GaN膜。
全文摘要
本發明公開了一種高阻GaN室溫核探測器及其制備方法，該室溫核探測器包括高阻GaN活性結構和兩個接觸電極，其中該高阻GaN活性結構為外延在基襯底上或自支撐的厚膜單層或多層結構，其總厚度為200μm～2000μm，該高阻GaN活性結構中高阻GaN層是非摻雜GaN、離子注入GaN或外延摻雜GaN，電阻率大于1000MΩ·cm，該GaN活性結構的多層結構是在高阻GaN層一面或兩面生長n-GaN薄膜構成，該兩個接觸電極分別制作在高阻GaN活性結構的兩個表面。本發明的室溫核輻射探測器具有良好的室溫信噪比和穩定性，適用于各種強輻射場的探測，尤其在核醫學影像學中具有廣闊的應用前景，本發明的制造工藝簡單，成本低廉，適于工業化推廣。
文檔編號H01L31/0352GK102064229SQ20101028158
公開日2011年5月18日 申請日期2010年9月14日 優先權日2010年9月14日
發明者陸敏 申請人:中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所