本发明涉及半导体核辐射探测技术领域，尤其涉及一种利用湿法刻蚀具有微沟槽的algaas/gaas中子探测器。
背景技术：
中子本身不带电，不能通过电离作用引起电离、激发而损失能量。因此，传统的半导体中子探测器是通过在半导体器件表面沉积中子转换层实现，但由于中子吸收率低及反应产物的自吸收等问题，使得半导体中子探测器的探测效率和能量分辨率很低。gaas是重要的iii–v族化合物半导体材料，具有耐辐照、电子迁移率高、响应速度快等优点，为了提高半导体中子探测器的探测效率，国外学者对gaas材料开展了深入的探索。在2000年，vernon等人研制了10b涂层高纯度外延gaas热中子探测器，该探测器有源层厚度范围在1μm～5μm之间，探测效率在1.6％～2.6％之间；在2002年，美国堪萨斯州立大学的mcgregor等在半绝缘gaas衬底上利用干法刻蚀制作圆孔型中子探测器，圆孔中填充10b，但测得的器件最高探测效率只有3.9％。上述探测器在一定程度上都存在漏电流较大和载流子收集效率较低的问题。
技术实现要素：
本发明所解决的技术问题在于提供一种利用湿法刻蚀具有微沟槽的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：
一种利用湿法刻蚀具有微沟槽的algaas/gaas中子探测器，以p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外延生长低al组分变带隙algaas/gaas有源层、高al组分algaas刻蚀层，而后在高al组分algaas刻蚀层上周期性交替生长多层低al组分变带隙algaas/gaas有源层与高al组分algaas刻蚀层，且最后在顶层外延生长的一层为低al组分变带隙algaas/gaas有源层，再利用hf酸腐蚀两侧边的高al组分algaas刻蚀层，保留低al组分变带隙algaas/gaas有源层和位于中间部位的高al组分algaas刻蚀层以形成微沟槽；再在微沟槽中沉积肖特基电极，在gaas衬底层沉积欧姆电极，最后通过悬滴滚动法将中子转换材料填充至微沟槽以形成中子转换层。
一种利用湿法刻蚀具有微沟槽的algaas/gaas中子探测器制备方法，具体步骤如下：
首先，准备p型掺杂浓度为(0.5～2)×1018cm-3的gaas衬底基材作为gaas衬底层，衬底要求均匀性好，位错密度低于103cm-2；
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p型掺杂浓度为1×1018cm-3的低al组分变带隙algaas/gaas有源层，从gaas衬底层向外生长时，有源层的al组分由0线性递增至0.2～0.35，再由0.2～0.35线性递减至0，有源层的厚度为4～6μm；
在低al组分变带隙algaas/gaas有源层上外延生长p型掺杂浓度为1×1018cm-3的高al组分algaas刻蚀层，al组分为0.65～0.8，厚度为3～8μm；
在高al组分algaas刻蚀层上周期性交替生长4～8层低al组分变带隙algaas/gaas有源层与高al组分algaas刻蚀层，且最后在顶层外延生长的一层为低al组分变带隙algaas/gaas有源层，得变带隙algaas/gaas外延片；
对生长好的变带隙algaas/gaas外延片进行划片，形成2mm×10mm的长条形样品，而后将长条形样品依次放入丙酮酒精去离子水中超声10min进行有机清洗，再通过氮气吹干后在放入浓度为40％的hf酸中对高al组分algaas刻蚀层进行腐蚀，以形成微沟槽，其中，腐蚀时间为40～120min，腐蚀温度为25～30℃；
利用热阻蒸发镀膜法在微沟槽正面沉积al金属作为肖特基电极，al的厚度为200～300nm，在gaas衬底层背面采用电子束蒸发镀膜法依次沉积ti/pt/au金属作为欧姆接触电极，其中，ti的厚度为40～60nm，pt的厚度为50nm，au的厚度为180～220nm；沉积金属后进行退火处理，退火温度为350～450℃，退火时间为50～70s，得中子探测器转换体；
最后，进行中子转换层填充，将醋酸、过氧化氢与甲醇溶液按体积1:1:1配比倒入烧杯中混合得混合液，再将混合液缓慢倒入10b4c或6lif粉末中，混合液可用作润滑剂，减少颗粒间以及颗粒与沟槽侧壁的摩擦，而后放入超声波清洗机中超声5min以分散颗粒形成10b4c或6lif胶体悬滴，接着将中子探测器转换体沿长边方向固定在夹具上，且使夹具面与中子探测器转换体面保持平齐，再将10b4c或6lif胶体悬滴在中子探测器转换体的高al组分algaas刻蚀层表面，并使用柔软的泡沫油墨滚筒反复通过高al组分algaas刻蚀层表面促使10b4c或6lif胶体悬滴进入微沟槽，对中子探测器转换体背面采取同样方式进行填充，最后，将填充好的中子探测器转换体放于干燥箱中烘干，最终制成具有微沟槽的algaas/gaas中子探测器。
本发明的机理为：微沟槽核辐射中子探测器当有入射中子照射时，入射热中子将与10b4c或6lif反应，产生次级粒子或射线并进入临近的变带隙有源区形成能量沉积，在能量沉积的过程中产生自由载流子，受内建电场作用产生电极漂移并被收集，从而实现高效核辐射探测。
有益效果：
1)本发明利用algaas、gaas的选择性湿法刻蚀特性有效解决gaas基材料的湿法刻蚀问题，湿法刻蚀的微沟槽质量显著优于干法刻蚀的质量，有利于探测器中子探测效率的提升；
2)本发明制备的中子探测器采用变带隙algaas/gaas结构，变带隙algaas/gaas结构将在能带中形成内建电场，使得与中子作用产生的电荷载流子在内建电场作用下就近向中子探测器的电极漂移，以克服gaas基材料本征杂质浓度较高的不足，本结构甚至可在零偏压下工作，极大的增加载流子收集效率，同时降低暗电流，显著提升探测器的灵敏度与探测效率。
附图说明
图1为本发明的较佳实施例中的p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低al组分变带隙algaas/gaas有源层结构示意图。
图3为本发明的较佳实施例中的外延生长高al组分algaas刻蚀层结构示意图。
图4为本发明的较佳实施例中的周期性交替生长低al组分变带隙algaas/gaas有源层与高al组分algaas刻蚀层结构示意图。
图5为本发明的较佳实施例中的顶层外延生长为低al组分变带隙algaas/gaas有源层结构示意图。
图6为本发明的较佳实施例中的湿法刻蚀微沟槽结构示意图。
图7为本发明的较佳实施例中的制备肖特基电极示意图。
图8为本发明的较佳实施例中的制备欧姆电极示意图。
图9为本发明的较佳实施例中的中子转换层填充结构示意图。
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
一种利用湿法刻蚀具有微沟槽的algaas/gaas中子探测器制备方法，具体步骤如下：
首先，准备p型掺杂浓度为1×1018cm-3的gaas衬底基材作为gaas衬底层1，衬底要求均匀性好，位错密度低于103cm-2，如图1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p型掺杂浓度为1×1018cm-3的低al组分变带隙algaas/gaas有源层2，从gaas衬底层1向外生长时，有源层2的al组分由0线性递增至0.25，再由0.25线性递减至0，有源层2的厚度为4μm，如图2所示；
如图3所示，在低al组分变带隙algaas/gaas有源层2上外延生长p型掺杂浓度为1×1018cm-3的高al组分algaas刻蚀层3，al组分为0.7，厚度为4μm；
如图4所示，在周期性交替生长5层低al组分变带隙algaas/gaas有源层2与高al组分algaas刻蚀层3，且最后在顶层外延生长的一层为低al组分变带隙algaas/gaas有源层2，得变带隙algaas/gaas外延片，如图5所示；
如图6所示，对生长好的变带隙algaas/gaas外延片进行划片，形成2mm×10mm的长条形样品，而后将长条形样品依次放入丙酮酒精去离子水中超声10min进行有机清洗，再通过氮气吹干后在放入浓度为40％的hf酸中对高al组分algaas刻蚀层3进行腐蚀，以形成微沟槽4，其中，腐蚀时间为60min，腐蚀温度为26℃；
如图7所示，利用热阻蒸发镀膜法在微沟槽4正面沉积al金属作为肖特基电极5，al的厚度为200nm，在gaas衬底层1背面采用电子束蒸发镀膜法依次沉积ti/pt/au金属作为欧姆接触电极6，其中，ti的厚度为50nm，pt的厚度为50nm，au的厚度为200nm；沉积金属后进行退火处理，退火温度为400℃，退火时间为60s，得中子探测器转换体，如图8所示；
最后，进行中子转换层7填充，采用悬滴滚动法，分别量取3ml醋酸、过氧化氢与甲醇溶液倒入烧杯中混合得混合液，再将混合液缓慢倒入0.1g10b4c粉末中，而后放入超声波清洗机中超声5min以分散颗粒形成10b4c胶体悬滴，接着将中子探测器转换体沿长边方向固定在夹具上，且使夹具面与中子探测器转换体面保持平齐，再将10b4c胶体悬滴在中子探测器转换体的高al组分algaas刻蚀层3表面，并使用柔软的泡沫油墨滚筒反复通过高al组分algaas刻蚀层3表面促使10b4c胶体悬滴进入微沟槽4，对中子探测器转换体背面采取同样方式进行填充，其中，油墨滚筒每侧滚动200次，且每50次后重新将10b4c胶体悬滴悬滴在高al组分algaas刻蚀层3表面，最后，将填充好的中子探测器转换体放于干燥箱中烘干，干烘箱温度设置为100℃，烘烤时间30min，最终制成如图9所示的具有微沟槽的algaas/gaas中子探测器。
实施例2
一种利用湿法刻蚀具有微沟槽的algaas/gaas中子探测器制备方法，具体步骤如下：
首先，准备p型掺杂浓度为5×1017cm-3的gaas衬底基材作为gaas衬底层1，衬底要求均匀性好，位错密度低于103cm-2，如图1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p型掺杂浓度为5×1017cm-3的低al组分变带隙algaas/gaas有源层2，从gaas衬底层1向外生长时，有源层2的al组分由0线性递增至0.3，再由0.3线性递减至0，有源层2的厚度为6μm，如图2所示；
如图3所示，在低al组分变带隙algaas/gaas有源层2上外延生长p型掺杂浓度为5×1017cm-3的高al组分algaas刻蚀层3，al组分为0.75，厚度为6μm；
如图4所示，在周期性交替生长4层低al组分变带隙algaas/gaas有源层2与高al组分algaas刻蚀层3，且最后在顶层外延生长的一层为低al组分变带隙algaas/gaas有源层2；得变带隙algaas/gaas外延片，如图5所示；
如图6所示，对生长好的变带隙algaas/gaas外延片进行划片，形成2mm×10mm的长条形样品，而后将长条形样品依次放入丙酮酒精去离子水中超声10min进行有机清洗，再通过氮气吹干后在放入质量百分浓度为40％的hf酸中对高al组分algaas刻蚀层3进行腐蚀，以形成微沟槽4，其中，腐蚀时间为100min，腐蚀温度为26℃；
如图7所示，利用热阻蒸发镀膜法在正面微沟槽4中沉积al金属作为肖特基电极5，al的厚度为300nm，在gaas衬底层1背面采用电子束蒸发镀膜法先沉积ti金属，而后利用热阻蒸发镀膜法依次沉积pt/au作为欧姆接触电极6，其中，ti的厚度为50nm，pt的厚度为50nm，au的厚度为200nm，沉积金属后进行退火处理，退火温度为420℃，退火时间为60s，得中子探测器转换体，如图8所示；
最后，进行中子转换层7填充，采用悬滴滚动法，分别量取3ml醋酸、过氧化氢和甲醇溶液倒入烧杯中混合得混合液，再将混合液缓慢倒入0.1g6lif粉末中，而后放入超声波清洗机中超声5min以分散颗粒形成6lif胶体悬浮液，接着将中子探测器转换体沿长边方向固定在夹具上，且使夹具面与中子探测器转换体面保持平齐，再将6lif胶体悬浮液悬滴在高al组分algaas刻蚀层3表面，并使用柔软的泡沫油墨滚筒反复通过高al组分algaas刻蚀层3表面促使6lif胶体悬浮液进入微沟槽4，对中子探测器转换体背面采取同样方式进行填充，其中，油墨滚筒每侧滚动160次，且每40次后重新将6lif胶体悬浮液悬滴在高al组分algaas刻蚀层3表面，最后，将填充好的中子探测器转换体放于干燥箱中烘干，干烘箱温度设置为110℃，烘烤时间30min，最终制成如图9所示的具有微沟槽的algaas/gaas中子探测器。
1.一种利用湿法刻蚀具有微沟槽的algaas/gaas中子探测器，其特征在于，以p型gaas作为衬底层，在gaas衬底层上依次外延生长低al组分变带隙algaas/gaas有源层、高al组分algaas刻蚀层，而后在高al组分algaas刻蚀层上周期性交替生长多层低al组分变带隙algaas/gaas有源层与高al组分algaas刻蚀层，且最后在顶层外延生长的一层为低al组分变带隙algaas/gaas有源层，再利用hf酸腐蚀高al组分algaas刻蚀层的两侧边，保留低al组分变带隙algaas/gaas有源层和位于中间部位的高al组分algaas刻蚀层以形成微沟槽；再在微沟槽中沉积肖特基电极，在gaas衬底层沉积欧姆电极，最后通过悬滴滚动法将中子转换材料填充至微沟槽以形成中子转换层。
2.根据权利要求1所述的一种利用湿法刻蚀具有微沟槽的algaas/gaas中子探测器，其特征在于，所述在高al组分algaas刻蚀层上周期性交替生长4～8层低al组分变带隙algaas/gaas有源层与高al组分algaas刻蚀层。
3.根据权利要求1所述的一种利用湿法刻蚀具有微沟槽的algaas/gaas中子探测器，其特征在于，所述中子转换材料为10b4c或6lif。
4.根据权利要求1所述的一种利用湿法刻蚀具有微沟槽的algaas/gaas中子探测器，其特征在于，所述微沟槽正面采用热阻蒸发镀膜法沉积al金属作为肖特基电极，al的厚度为200～300nm；所述gaas衬底层背面采用电子束蒸发镀膜法依次沉积ti/pt/au金属作为欧姆接触电极。
5.根据权利要求4所述的一种利用湿法刻蚀具有微沟槽的algaas/gaas中子探测器，其特征在于，所述ti的厚度为40～60nm，pt的厚度为40～60nm，au的厚度为180～220nm。
6.一种如权利要求1所述的一种利用湿法刻蚀具有微沟槽的algaas/gaas中子探测器的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
首先，准备p型掺杂的gaas衬底基材作为gaas衬底层；
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p型掺杂的低al组分变带隙algaas/gaas有源层；
在低al组分变带隙algaas/gaas有源层上外延生长p型掺杂的高al组分algaas刻蚀层；
在高al组分algaas刻蚀层上周期性交替生长多层低al组分变带隙algaas/gaas有源层与高al组分algaas刻蚀层，且最后在顶层外延生长的一层为低al组分变带隙algaas/gaas有源层，得变带隙algaas/gaas外延片；
对生长好的变带隙algaas/gaas外延片进行划片形成长条形样品，而后将长条形样品依次放入丙酮酒精去离子水中超声10min进行有机清洗，再通过氮气吹干后在放入hf酸中对高al组分algaas刻蚀层进行腐蚀，以形成微沟槽；
利用热阻蒸发镀膜法在微沟槽正面沉积al金属作为肖特基电极，al的厚度为200～300nm，在gaas衬底层背面采用电子束蒸发镀膜法依次沉积ti/pt/au金属作为欧姆接触电极，其中，ti的厚度为40～60nm，pt的厚度为50nm，au的厚度为180～220nm；沉积金属后进行退火处理，得中子探测器转换体；
最后，进行中子转换层填充，将醋酸、过氧化氢与甲醇溶液按体积1:1:1配比倒入烧杯中混合得混合液，再将混合液缓慢倒入10b4c或6lif粉末中，而后放入超声波清洗机中超声5min以分散颗粒形成10b4c或6lif胶体悬滴，接着将中子探测器转换体沿长边方向固定在夹具上，且使夹具面与中子探测器转换体面保持平齐，再将10b4c或6lif胶体悬滴在中子探测器转换体的高al组分algaas刻蚀层表面，并使用油墨滚筒反复通过高al组分algaas刻蚀层表面以促使10b4c或6lif胶体悬滴进入微沟槽，对中子探测器转换体背面采取同样方式进行填充，最后，将填充好的中子探测器转换体放于干燥箱中烘干，最终制成具有微沟槽的algaas/gaas中子探测器。
7.根据权利要求6所述的一种利用湿法刻蚀具有微沟槽的algaas/gaas中子探测器的制备方法，其特征在于，所述从gaas衬底层向外生长时，有源层的al组分由0线性递增至0.2～0.35，再由0.2～0.35线性递减至0，有源层的厚度为4～6μm。
8.根据权利要求6所述的一种利用湿法刻蚀具有微沟槽的algaas/gaas中子探测器的制备方法，其特征在于，所述hf酸质量百分浓度为40％。
9.根据权利要求6所述的一种利用湿法刻蚀具有微沟槽的algaas/gaas中子探测器的制备方法，其特征在于，所述腐蚀时间为40～120min，腐蚀温度为25～30℃。
10.根据权利要求6所述的一种利用湿法刻蚀具有微沟槽的algaas/gaas中子探测器的制备方法，其特征在于，所述退火处理的退火温度为350～450℃，退火时间为50～70s。
技术总结