一種基于雙異質結hemt的高增益x射線探測器的制造方法
【技術領域】
[0001 ] 本發明涉及X射線探測器，具體涉及一種基于AlGaN/GaN/AlGaN雙異質結高電子迀移率晶體管的高電流增益X射線探測器。
【背景技術】
[0002]X射線劑量探測器在空間探索、核設施監控、射線治療及生物醫學等諸多領域發揮著重要作用，探測器類型主要有蓋格計數管、熱釋光探測器、閃爍體探測器和半導體探測器。隨著科技進步，半導體探測器憑借體積小、成本低、靈敏度高的技術優勢顯示出巨大的開發前景和價值。
[0003]傳統的半導體X射線探測器主要是基于硅材料。高能射線長時間輻照會在硅材料中產生晶格缺陷，缺陷在禁帶中間形成的能級成為電子空穴對間接復合的復合中心，這將增大空間電荷區的電子空穴凈產生率，最終導致器件性能的退化，包括暗電流的增大。為了加固半導體器件，降低輻射對探測器性能的退化作用，常用的方法有:對探測器進行預輻照，因為輻照引入的缺陷濃度是有限的，預輻照使之達到飽和，在后續的輻射探測中就可以忽略輻照導致的器件性能退化;選用金剛石、SiC和GaN等寬禁帶材料。
[0004]GaN材料禁帶寬度大，暗電流小，能夠有效屏蔽近紅外射線和可見光，并且具有優良的抗高能射線輻照的能力，這些特點使得GaN材料在射線探測領域被寄予厚望。AlGaN和GaN都具有很強的自發極化效應，AIGaN自發極化強于GaN。由于AIGaN晶格常數小于GaN，AlGaN層受拉伸應力作用，產生壓電極化效應。在自發極化和壓電極化效應的共同作用在，不用任何摻雜，就可以在AlGaN/GaN異質結界面處產生面密度1012—13Cnf2的極性為正的固定極化電荷，由此在界面聚集一層高濃度(1018—19cm-3)的電子，稱為二維電子氣(2-DEG)。由于2-DEG溝道中電子濃度高，并且沒有摻雜引入的雜質離子，因而電子在2-DEG溝道中迀移率高，飽和速度高，電流密度大，這就是基于AlGaN/GaN異質結高電子迀移率晶體管(HighElectron Mobility Transistor，HEMT)器件的基本特性。
[0005]由于GaN薄膜對高能X射線吸收效率偏低，同時材料中的位移缺陷和深陷阱能級限制了探測器時間相應。目前GaN探測器相關研究主要集中在基于AlGaN/GaN HEMT的紫外線探測器和基于GaN肖特基二極管的低能X射線探測器，基于GaN材料的X射線探測器在實際應用中受到限制。
【發明內容】
[0006]針對GaN薄膜材料對X射線吸收效率低，以及時間相應慢的問題，本發明提出一種基于AlGaN/GaN/AlGaN雙異質結HEMT的X射線劑量探測器。
[0007]本發明的技術方案如下:
[0008]一種基于雙異質結HEMT的高增益X射線探測器，包括AlGaN勢皇層、GaN溝道層、AlGaN背勢皇緩沖層、襯底、Si3N4鈍化層、柵極、源極和漏極;所述的源極和漏極之間設有Si3N4鈍化層;柵極位于源極和漏極之間，設置在Si3N4鈍化層的凹槽內；Si3N4鈍化層下方依次設有AlGaN勢皇層、GaN溝道層、AlGaN背勢皇緩沖層和襯底;AlGaN勢皇層/GaN溝道層/AlGaN背勢皇緩沖層形成的雙異質結。
[0009]所述AlGaN勢皇層，含AlN組分線性漸變，底部與GaN溝道層接觸面的AlN組分為
[0010]所述AlGaN背勢皇緩沖層，背勢皇高度隨輻照過程中空穴積累降低，輻照過后快速恢復。
[0011]本發明的有益效果在于:本發明X射線探測器具有極高的電流增益，彌補了GaN材料對X射線吸收效率低的問題，同時可以消除時間相應的問題。
【附圖說明】
[0012]圖1為本發明公開的雙異質結高電子迀移率晶體管探測器的結構示意圖；
[0013]圖2為本發明探測器輻照過程中產生電子空穴的流動示意圖；
[0014]圖3為本發明探測器輻照過程中漏極響應電流；
[0015]圖4為本發明探測器輻照電流響應與入射光子密度關系曲線。
【具體實施方式】
[0016]為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，以下結合附圖對本發明進行具體闡述。
[0017]本發明X射線探測器，基于AlGaN/GaN/AlGaN雙異質結HEMT，如圖1所示，為探測器結構示意圖，包含= AlGaN勢皇層(I)，GaN溝道層⑵，AlGaN背勢皇緩沖層(3)，襯底(4) ,Si3N4鈍化層(5)，以及柵極(6)、源極(7)、和漏極(8)。
[0018]圖1所示器件結構溝道長度I微米，寬I微米，各層均無摻雜。所述AlGaN勢皇層(I)含AlN組分線性漸變，勢皇層頂部AlN組分為30%，底部與GaN溝道層(2)接觸面AlN組分為O %，勢皇層厚度為20納米;GaN溝道層(2)厚度30納米;AlGaN背勢皇緩沖層(3)含AlN組分為1 %，厚度500納米;柵極(6)為肖特基接觸，源極(7)和漏極(8)為歐姆接觸。
[0019]X射線輻照過程中，器件柵極中間縱向沿線能帶如圖2所示，由于AlGaN勢皇層AlN組分漸變，形成的電子溝道與傳統HEMT中AlGaN/GaN界面形成的二維電子氣(2-DEG)不同，覆蓋了整個AlGaN勢皇層。輻照產生的電子空穴對在電場作用下漂移運動，電子流向電子溝道，最終從器件漏極流出，而空穴在背勢皇界面累積。隨著空穴的堆積，背勢皇高度下降，對電子溝道內的電子電流大小產生影響，即改變器件輸出電流。
[0020]對于能量22keV的入射X射線光子，材料吸收效率約為5%，即吸收射線能量1.11?^，6&_勺禁帶寬度為3.39^，以禁帶寬度的3倍估計其電離能，即每電離產生一對電子空穴對需要能量為3.39X3 ? 10eV，于是每個入射X射線光子可以產生1100/10 = 110對電子空穴對。每秒5 X 15個光子入射產生的電子全部從漏極流出形成的漏電流大小為8 X 10—12A。如圖3是輻照過程中探測器漏極響應電流，即輻照下電流大小減去無輻照時電流大小，可見由電子溝道背勢皇高度變化產生的輻射響應電流幅度為43uA，電流增益達到5 XlO6，彌補了材料對X射線吸收效率低的問題。同時響應電流脈沖上升沿陡直，不存在固有時間響應的問題。
[0021]本發明探測器輻照電流響應與入射光子密度關系曲線如圖4所示。
[0022]以上所述僅為本發明的較佳實施例，凡依本發明權利要求范圍所做的均等變化與修飾，皆應屬本發明權利要求的涵蓋范圍。
【主權項】
1.一種基于雙異質結HEMT的高增益X射線探測器，其特征在于:包括AlGaN勢皇層(I)、GaN溝道層(2)、AlGaN背勢皇緩沖層(3)、襯底(4)、Si3N4鈍化層(5)、以及柵極(6)、源極(7)和漏極(8);所述的源極(7)和漏極(8)之間設有Si3N4鈍化層(5)，源極(7)和漏極(8)為歐姆接觸;柵極(6)位于源極⑴和漏極⑻之間，設置在Si3N4鈍化層(5)的凹槽內；Si3N4鈍化層(5)下方依次設有AlGaN勢皇層(I)、GaN溝道層⑵、AlGaN背勢皇緩沖層⑶和襯底⑷;AlGaN勢皇層/GaN溝道層/AlGaN背勢皇緩沖層形成的雙異質結。2.根據權利要求1一種基于雙異質結HEMT的高增益X射線探測器，其特征在于:所述AlGaN勢皇層，含AlN組分線性漸變，底部與GaN溝道層接觸面的AlN組分為O %。3.根據權利要求1一種基于雙異質結HEMT的高增益X射線探測器，其特征在于:所述AlGaN背勢皇緩沖層，背勢皇高度隨輻照過程中空穴積累降低，輻照過后快速恢復。
【專利摘要】本發明公開一種基于雙異質結HEMT的高增益X射線探測器。包括AlGaN勢壘層、GaN溝道層、AlGaN背勢壘緩沖層、襯底、Si3N4鈍化層、柵極、源極和漏極；探測器結構中的溝道層與背勢壘緩沖層界面在輻照過程中因空穴積累，引起勢壘高度降低，導致溝道電子電流變化，最終產生極高的電流增益。本發明X射線探測器基于GaN基材料體系，具有強抗電離輻射能力，同時具有極高電流增益，彌補了GaN材料對X射線吸收效率低的缺陷，并且消除了傳統GaN肖特基X射線探測器響應時間長的問題。
【IPC分類】H01L31/119, H01L31/0304
【公開號】CN105679859
【申請號】CN201610248271
【發明人】王穎, 曹菲, 項智強, 于成浩
【申請人】杭州電子科技大學
【公開日】2016年6月15日
【申請日】2016年4月20日