[发明专利]一种NP层交替外延的碳化硅微沟槽中子探测器结构

说明书

本发明公开了一种NP层交替外延的碳化硅微沟槽中子探测器结构。本发明结构采用多次外延法在N+衬底上依次交替制作N型层和P型层。首先在N+衬底上外延第一层N型层，之后在第一层N型层上外延第一层P型层，之后在第一层P型层外延层上外延第二层N型层，之后在第二层N型层外延层上外延第二层P型层，直到外延最后一层为N型层为止。如果外延的N型层一共有M层，则外延的P型层一共有M‑1层，总的外延层数为2M‑1层。每个N型层与每个P型层的厚度、掺杂浓度完全相同。本发明在外延层内部形成“锯齿形”的纵向电场分布，该电场分布更加均匀，使探测器在更低的衬底偏压下实现外延层的全耗尽，从而有效降低SiC微沟槽中子探测器的工作电压。

技术领域

本发明涉及半导体核辐射探测技术，具体地说是一种NP层交替外延的碳化硅微沟槽中子探测器结构，一种适用于半导体核辐射探测的碳化硅微沟槽中子探测器结构。

背景技术

目前，世界范围应用最广的中子探测是³He气体探测器，但由于³He气体短缺导致的中子探测器供应严重不足，已影响到医学、能源、勘探等多个领域，亟需发展新型中子探测器。半导体型中子探测器具备多项适合高性能中子探测器开发的特性，在同尺寸下，已经可以超越³He探测器效率。但硅(Si)半导体器件的禁带宽度较窄，高温和辐照条件下将出现漏电流的急剧增大，进而导致器件性能退化甚至失效。因此，Si中子探测器的使用寿命远低于³He探测器，难以在反应堆、中子测井、航空航天等领域广泛应用。为了改善半导体中子探测器的抗辐照和耐高温性能，基于宽禁带材料的新型半导体中子探测器成为了科研人员关注的焦点。这其中，碳化硅(SiC)宽禁带半导体材料，由于具备位移阈能大、禁带宽度宽、饱和电子漂移速度高、击穿电场强度大、热导率高、熔点高、抗辐射性能好等优异性能，成为半导体中子探测器领域迅速崛起的新星。

目前，传统SiC平面型中子探测器的探测器效率较低，一般不超过5％。为了解决SiC平面型探测器探测效率不高的问题，SiC微沟槽中子探测器被提出，其最高探测效率可接近20％。通过在SiC外延层上刻蚀微沟槽结构，可以有效提高中子转换材料的填充量并增加与探测器收集区的接触面积，进而使探测效率显著提高。因此，为了获得较高的探测效率，就必须在厚的SiC外延层上刻蚀深的微沟槽，这将使得SiC外延层全耗尽变得非常困难。为了获得理想的电荷收集效率和响应时间，SiC外延层必须工作在全耗尽的状态，因此SiC衬底上需要施加较高的工作偏压，这将导致中子探测器后端电路供电非常困难。为此，本专利提出了一种NP层交替外延的碳化硅微沟槽中子探测器结构，可在更低的工作偏压下实现外延层的全耗尽。

发明内容

本发明基于现有的传统SiC微沟槽中子探测器，提出了一种NP层交替外延的碳化硅微沟槽中子探测器结构。

本发明解决去技术问题所采用的技术方案如下：

本发明结构采用多次外延方法在N+衬底上依次交替制作N型层和P型层。首先在N+衬底上外延第一层N型层，之后在第一层N型层上外延第一层P型层，之后在第一层P型层外延层上外延第二层N型层，之后在第二层N型层外延层上外延第二层P型层，以此类推，直到外延最后一层为N型层为止。可知，如果外延的N型层一共有M(M≥1)层，则外延的P型层一共有M-1层，总的外延层数为2M-1层。此外，为了实现理想的全耗尽状态，令每个N型层与每个P型层的厚度、掺杂浓度完全相同。

本发明的优点在于：

本发明提出NP层交替外延的碳化硅微沟槽中子探测器结构，该结构通过在衬底上依次外延交替的N型层和P型层，可在外延层内部形成“锯齿形”的纵向电场分布，该电场分布比传统单一外延层内形成的“三角形”纵向电场分布更加均匀。更加均匀的电场分布能使探测器在更低的衬底偏压下实现外延层的全耗尽，从而有效降低SiC微沟槽中子探测器的工作电压。

附图说明

图1是传统SiC微沟槽中子探测器结构示意图。

图2是基于本发明中子探测器结构示意图。