基于高阻ZnO單晶的光電導(dǎo)型X射線探測器及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于高阻ZnO單晶的光電導(dǎo)型X射線探測器，包括ZnO單晶基片，ZnO單晶基片的上表面鍍有上電極及環(huán)形結(jié)構(gòu)的保護環(huán)，上電極位于保護環(huán)的中部，保護環(huán)與上電極之間有均勻間隙，ZnO單晶基片的下表面鍍有下電極，上電極及保護環(huán)自上到下依次均包括第一Al膜層及第一AZO膜層，下電極自上到下依次包括第二AZO膜層及第二Al膜層；相應(yīng)的，本發(fā)明還提供了一種基于高阻ZnO單晶的光電導(dǎo)型X射線探測器的制備方法，本發(fā)明制備的基于高阻ZnO單晶的光電導(dǎo)型X射線探測器耐高壓性強，同時具有低噪聲的特性，并且成本低。
【專利說明】基于高阻ZnO單晶的光電導(dǎo)型X射線探測器及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于半導(dǎo)體核輻射探測器件領(lǐng)域，具體涉及一種基于高阻ZnO單晶的光電導(dǎo)型X射線探測器及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著核技術(shù)在能源、核安全、醫(yī)療以及航天等應(yīng)用領(lǐng)域的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)氣體探測器、固態(tài)閃爍體探測器以及窄禁帶半導(dǎo)體結(jié)型探測器在材料和器件技術(shù)兩方面面臨提高靈敏度和壽命、可實現(xiàn)室溫及更寬工作溫區(qū)、減小體積以及降低成本等諸多挑戰(zhàn)，該領(lǐng)域迫切需求能夠滿足特定要求的新型輻射探測材料和器件的探索研究及應(yīng)用開發(fā)。美國OakRidge國家實驗室、Lawrence Livermore國家實驗室以及Pacific Northwest國家實驗室和相關(guān)大學(xué)機構(gòu)正在積極開展各種新型寬禁帶半導(dǎo)體探測方法以代替?zhèn)鹘y(tǒng)器件技術(shù)。國內(nèi)近年來先進固態(tài)核輻射探測技術(shù)相關(guān)基礎(chǔ)研究報道也逐漸增加，新型半導(dǎo)體核探測材料和器件實現(xiàn)技術(shù)開始受到了較多關(guān)注。
[0003]和傳統(tǒng)的S1-PIN、高純Ge以及CdZnTe探測器相比，由于具有更寬的帶隙、更強的抗輻照特性以及更高的擊穿電場強度等顯著特性，金剛石、SiC、GaN等寬帶隙半導(dǎo)體材料及其輻射探測器件逐漸受到輻射探測領(lǐng)域的關(guān)注。國際上人工金剛石輻射探測器件主要基于近年來人工自支撐金剛石薄膜技術(shù)進步，國內(nèi)西北核技術(shù)研究所、清華大學(xué)、上海大學(xué)等單位近年來也開展了薄膜型金剛石探測器的有益探索。但是核輻射探測器級金剛石人工晶體制備的成本十分昂貴，這在很大程度上限制了金剛石探測器在更廣泛領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展。事實上，SiC、GaN也存在類似的問題，寬禁帶半導(dǎo)體輻射探測器應(yīng)用研究目前面臨著探測器級晶體材料生長及其結(jié)構(gòu)特性等應(yīng)用基礎(chǔ)研究問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，提供了一種基于高阻ZnO單晶的光電導(dǎo)型X射線探測器及其制備方法，該探測器件耐高壓性強，同時具有低噪聲的特性，并且成本低。
[0005]為達到上述目的，本發(fā)明所述的基于高阻ZnO單晶的光電導(dǎo)型X射線探測器包括ZnO單晶基片，ZnO單晶基片的上表面鍍有上電極及環(huán)形結(jié)構(gòu)的保護環(huán)，上電極位于保護環(huán)的中部，保護環(huán)與上電極之間有均勻間隙，ZnO單晶基片的下表面鍍有下電極，上電極及保護環(huán)自上到下依次均包括第一 Al膜層及第一 AZO膜層，下電極自上到下依次包括第二 AZO膜層及第二 Al膜層。
[0006]所述間隙的寬度為150 U m。
[0007]所述第一 AZO膜層的厚度與第二 AZO膜層的厚度均為30nm ；
[0008]所述第一 Al膜層的厚度與第二 Al膜層的厚度均為lOOnm。
[0009]相應(yīng)的，本發(fā)明還提供了一種基于高阻ZnO單晶的光電導(dǎo)型X射線探測器的制備方法，包括以下步驟:[0010]I)將ZnO單晶基片放置到燒杯中，在超聲環(huán)境中依次放置到丙酮、乙醇和去離子水中各lOmin，然后通過氮氣吹干；
[0011]2)將步驟I)得到的ZnO單晶基片進行熱處理，然后在ZnO單晶基片(I)的上表面進行旋轉(zhuǎn)涂膠、曝光及顯影后，在ZnO單晶基片的上表面采用濺射的方法依次鍍第一 AZO膜層及第一 Al膜層，得樣品，其中熱處理過程中的溫度為1000?1200°C ；
[0012]3)將步驟2)得到的樣品進行去膠處理，然后通過濺射的方法在ZnO單晶基片的下表面依次鍍第二 AZO膜層及第二 Al膜層，得基于高阻ZnO單晶的光電導(dǎo)型X射線探測器。
[0013]步驟2)中對ZnO單晶基片進行熱處理的過程為:將ZnO單晶基片放置到高溫爐中，加熱至1000?1200°C，同時往高溫爐中通入流量40SCCm的氬氣及流量為IOsccm的氧氣，使高溫爐內(nèi)的氣壓為900?llOOPa，并保持60min ；
[0014]步驟2)中在ZnO單晶基片的上表面進行旋轉(zhuǎn)涂膠的處理過程為:采用甩膠機將型號為KMPC 5315的正性光刻膠涂抹在ZnO單晶基片的上表面，其中甩膠機在甩膠的過程中先以轉(zhuǎn)速為900?IlOOrpm甩膠15s，然后以轉(zhuǎn)速為2500?3500rpm甩膠50s ；
[0015]步驟2)中在ZnO單晶基片的上表面進行曝光及顯影的處理過程為:將旋轉(zhuǎn)涂膠處理后的ZnO單晶基片放置到紫外光下50?100s，然后采用型號為KMP PD238-1I的正膠顯影液顯影40?50s。
[0016]步驟2)中采用濺射的方法在ZnO單晶基片上表面鍍第一 AZO膜層的具體操作過程為:將ZnO單晶基片放置到真空度大于3.0X 10_4Pa的環(huán)境中，然后通入流量為IOsccm的Ar氣體，再用AZO陶瓷靶材濺射15min，濺射的氣壓為0.9?1.0Pa，濺射功率為50W。
[0017]步驟2)中采用濺射的方法在第一 AZO膜層上鍍第一 Al膜層的具體過程為JfZnO單晶基片放置到真空度大于3.0X 10_4Pa環(huán)境中，然后通入流量為IOsccm的Ar氣體，并采用濺射的方法在第一 AZO膜層上鍍第一 Al膜層，其中，濺射氣壓為1.1?1.2Pa，濺射功率為120W，濺射時間為15min。
[0018]步驟3)中往ZnO單晶基片的下表面鍍第二 AZO膜層的過程與往ZnO單晶基片的上表面鍍第一 AZO膜層的過程相同。
[0019]步驟3)中往ZnO單晶基片的下表面鍍第二 Al膜層的過程與往ZnO單晶基片的上表面鍍第一 Al膜層的過程相同。
[0020]本發(fā)明具有以下有益效果:
[0021]本發(fā)明所述的基于高阻ZnO單晶的光電導(dǎo)型X射線探測器包括ZnO單晶基片，ZnO單晶基片上表面鍍有上電極及保護環(huán)，從而可以有效的防止上電極被擊穿，在制備基于高阻ZnO單晶的光電導(dǎo)型X射線探測器的過程中，通過將ZnO單晶基片放置到1000?1200°C的環(huán)境中進行熱處理，從而使制備的基于高阻ZnO單晶的光電導(dǎo)型X射線探測器具有高阻特性，通過時采用ZnO單晶基片為基片，有效的降低了制作的成本，由于基于高阻ZnO單晶的光電導(dǎo)型X射線探測器在制作過程中采用多層濺射的方法，因此制備的基于高阻ZnO單晶的光電導(dǎo)型X射線探測器具有耐高壓及低噪聲的特性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖2為本發(fā)明中ZnO單晶基片I的結(jié)構(gòu)示意圖；[0024]圖3為本發(fā)明中涂I父后ZnO單晶基片I的結(jié)構(gòu)不意圖；
[0025]圖4為本發(fā)明中曝光及顯影后ZnO單晶基片I的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026]圖5為本發(fā)明中ZnO單晶基片I的上表面濺射第一 Al膜層3后的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027]圖6為本發(fā)明中去I父后ZnO單晶基片I的結(jié)構(gòu)不意圖；
[0028]圖7為本發(fā)明中ZnO單晶基片I熱處理前后的XRD圖；
[0029]圖8為本發(fā)明的暗場輸入-輸出特性曲線圖；
[0030]圖9為本發(fā)明的脈沖射線響應(yīng)測試系統(tǒng)原理圖；
[0031]圖10本發(fā)明的脈沖射線響應(yīng)特性曲線圖。
[0032]其中，I為ZnO單晶基片、2為第一 AZO膜層、3為第一 Al膜層、4為第二 AZO膜層、5為第二 Al膜層、6為保護環(huán)、7為上電極、8為下電極。
【具體實施方式】
[0033]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步詳細描述:
[0034]參考圖1及圖2，本發(fā)明所述的基于高阻ZnO單晶的光電導(dǎo)型X射線探測器包括ZnO單晶基片l，ZnO單晶基片I的上表面鍍有上電極7及環(huán)形結(jié)構(gòu)的保護環(huán)6，上電極7位于保護環(huán)6的中部，保護環(huán)6與上電極7之間有均勻間隙，ZnO單晶基片I的下表面鍍有下電極8，上電極7及保護環(huán)6自上到下依次均包括第一 Al膜層3及第一 AZO膜層2，下電極8自上到下依次包括第二 AZO膜層4及第二 Al膜層5，第一 AZO膜層2的厚度與第二 AZO膜層4的厚度均為30nm，第一 Al膜層3的厚度與第二 Al膜層5的厚度均為lOOnm，其中，所述間隙的寬度為150 Pm。
[0035]參考圖3、圖4、圖5、圖6，本發(fā)明所述的基于高阻ZnO單晶的光電導(dǎo)型X射線探測器的制備方法包括以下步驟:
[0036]I)將ZnO單晶基片I放置到燒杯中，在超聲環(huán)境中依次放置到丙酮、乙醇和去離子水中各lOmin，然后通過氮氣吹干；
[0037]2)將步驟I)得到的ZnO單晶基片I進行熱處理，然后在ZnO單晶基片(I)的上表面進行旋轉(zhuǎn)涂膠、曝光及顯影后，在ZnO單晶基片I的上表面采用濺射的方法依次鍍第一AZO膜層2及第一 Al膜層3，得樣品，其中熱處理過程中的溫度為1000?1200°C ；
[0038]3)將步驟2)得到的樣品進行去膠處理，然后通過濺射的方法在ZnO單晶基片I的下表面依次鍍第二 AZO膜層4及第二 Al膜層5，得基于高阻ZnO單晶的光電導(dǎo)型X射線探測器。
[0039]步驟2)中對ZnO單晶基片I進行熱處理的過程為:將ZnO單晶基片I放置到高溫爐中，加熱至1000?1200°C，同時往高溫爐中通入流量40sccm的氬氣及流量為IOsccm的氧氣，使高溫爐內(nèi)的氣壓為900?llOOPa，并保持60min ；
[0040]步驟2)中在ZnO單晶基片I的上表面進行旋轉(zhuǎn)涂膠的處理過程為:采用甩膠機將型號為KMPC 5315的正性光刻膠涂抹在ZnO單晶基片I的上表面，其中甩膠機在甩膠的過程中先以轉(zhuǎn)速為900?IlOOrpm甩膠15s，然后以轉(zhuǎn)速為2500?3500rpm甩膠50s ；
[0041]步驟2)中在ZnO單晶基片I的上表面進行曝光及顯影的處理過程為:將旋轉(zhuǎn)涂膠處理后的ZnO單晶基片I放置到紫外光下50?100s，然后采用型號為KMP PD238-1I的正膠顯影液顯影40?50s。[0042]步驟2)中采用濺射的方法在ZnO單晶基片I的上表面鍍第一 AZO膜層2的具體操作過程為:將ZnO單晶基片I放置到真空度大于3.0X 10_4Pa的環(huán)境中，然后通入流量為IOsccm的Ar氣體，再用AZO陶瓷靶材濺射15min，濺射的氣壓為0.9~1.0Pa，濺射功率為50W。
[0043]步驟2)中采用濺射的方法在第一 AZO膜層2上鍍第一 Al膜層3的具體過程為:將ZnO單晶基片I放置到真空度大于3.0X KT4Pa環(huán)境中，然后通入流量為IOsccm的Ar氣體，并采用濺射的方法在第一 AZO膜層2上鍍第一 Al膜層3，其中，濺射氣壓為1.1~1.2Pa，濺射功率為120W，濺射時間為15min。
[0044]步驟3)中往ZnO單晶基片I的下表面鍍第二 AZO膜層4的過程與往ZnO單晶基片I的上表面鍍第一 AZO膜層2的過程相同。
[0045]步驟3)中往ZnO單晶基片I的下表面鍍第二 Al膜層5的過程與往ZnO單晶基片I的上表面鍍第一 Al膜層3的過程相同。
[0046]由圖7可知，經(jīng)過熱處理后的ZnO單晶基片I在沿C軸方向具有良好的結(jié)晶質(zhì)量，同時經(jīng)檢測經(jīng)熱處理后的ZnO單晶基片I可以實現(xiàn)IO8-1O9Q 高阻特性；參考圖8在給本發(fā)明制備的基于高阻ZnO單晶的光電導(dǎo)型X射線探測器的正負極之間施加電壓時，ZnO單晶基片I和AZ0/A1電極間形成良好的歐姆接觸?；诼勛鑊nO單晶的光電導(dǎo)型X射線探測器在200V的偏壓下，暗電流為12.4 iiA，單晶的電阻率為2X108Q -cm ;參考圖9，將基于高阻ZnO單晶的光電導(dǎo)型X射線探測器與阻值為270kQ的采樣電阻串聯(lián)，在串聯(lián)結(jié)構(gòu)兩端并接IuF的MPP保護電容，示波器采用IMQ交流耦合，從采樣電阻上獲得信號波形；參考圖10，基于高阻ZnO單晶的光電導(dǎo)型X射線探測器在響應(yīng)波形衰減過程服從指數(shù)規(guī)律Vsignal=V0 ? exp (-t/ T )，下降時間為 160 U S。
【權(quán)利要求】
1.一種基于高阻ZnO單晶的光電導(dǎo)型X射線探測器，其特征在于，包括ZnO單晶基片(l)，ZnO單晶基片⑴的上表面鍍有上電極(7)及環(huán)形結(jié)構(gòu)的保護環(huán)(6)，上電極(7)位于保護環(huán)(6)的中部，保護環(huán)(6)與上電極(7)之間設(shè)為均勻間隙，ZnO單晶基片⑴的下表面鍍有下電極(8)，上電極(7)及保護環(huán)(6)自上到下依次均包括第一 Al膜層(3)及第一AZO膜層(2)，下電極(8)自上到下依次包括第二 AZO膜層(4)及第二 Al膜層(5)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于高阻ZnO單晶的光電導(dǎo)型X射線探測器，其特征在于，所述間隙的寬度為150 iim。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于高阻ZnO單晶的光電導(dǎo)型X射線探測器，其特征在于， 所述第一 AZO膜層(2)的厚度與第二 AZO膜層(4)的厚度均為30nm ； 所述第一 Al膜層(3)的厚度與第二 Al膜層(5)的厚度均為lOOnm。
4.一種基于高阻ZnO單晶的光電導(dǎo)型X射線探測器的制備方法，基于權(quán)利要求1所述的所述的器件，其特征在于，包括以下步驟: 1)將ZnO單晶基片(I)放置到燒杯中，在超聲環(huán)境中依次放置到丙酮、乙醇和去離子水中各lOmin，然后通過氮氣吹干； 2)將步驟1)得到的ZnO單晶基片(1)進行熱處理，然后在ZnO單晶基片(1)的上表面進行旋轉(zhuǎn)涂膠、曝光及顯影后，在ZnO單晶基片(1)的上表面采用濺射的方法依次鍍第一AZO膜層(2)及第一 Al膜層(3)，得樣品，其中熱處理過程中的溫度為1000~1200°C ； 3)將步驟2)得到的樣品進行去膠處理，然后通過濺射的方法在ZnO單晶基片(I)的下表面依次鍍第二 AZO膜層(4)及第二 Al膜層(5)，得基于高阻ZnO單晶的光電導(dǎo)型X射線探測器。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于高阻ZnO單晶的光電導(dǎo)型X射線探測器的制備方法，其特征在于， 步驟2)中對ZnO單晶基片⑴進行熱處理的過程為:將ZnO單晶基片⑴放置到高溫爐中，加熱至1000~1200°C，同時往高溫爐中通入流量40sccm的氬氣及流量為IOsccm的氧氣，使高溫爐內(nèi)的氣壓為900~llOOPa，并保持60min ； 步驟2)中在ZnO單晶基片(I)上表面進行旋轉(zhuǎn)涂膠的處理過程為:采用甩膠機將型號為KMPC 5315的正性光刻膠涂抹在ZnO單晶基片⑴的上表面，其中甩膠機在甩膠的過程中先以轉(zhuǎn)速為900~1100rpm甩膠15s，然后以轉(zhuǎn)速為2500~3500rpm甩膠50s ； 步驟2)中在ZnO單晶基片(1)的上表面進行曝光及顯影的處理過程為:將旋轉(zhuǎn)涂膠處理后的ZnO單晶基片(1)放置到紫外光下50~100s，然后采用型號為KMP PD238-II的正膠顯影液顯影40~50s。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于高阻ZnO單晶的光電導(dǎo)型X射線探測器的制備方法，其特征在于，步驟2)中采用濺射的方法在ZnO單晶基片(1)上表面鍍第一 AZO膜層(2)的具體操作過程為:將ZnO單晶基片(1)放置到真空度大于3.0X 10_4Pa的環(huán)境中，然后通入流量為IOsccm的Ar氣體，再用AZO陶瓷靶材濺射15min，濺射的氣壓為0.9~1.0Pa,濺射功率為50W。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于高阻ZnO單晶的光電導(dǎo)型X射線探測器的制備方法，其特征在于，步驟2)中采用濺射的方法在第一 AZO膜層(2)上鍍第一 Al膜層(3)的具體過程為:將ZnO單晶基片(1)放置到真空度大于3.0 X 10_4Pa環(huán)境中，然后通入流量為IOsccm的Ar氣體，并采用濺射的方法在第一 AZO膜層(2)上鍍第一 Al膜層(3)，其中，濺射氣壓為.1.1~1.2Pa，濺射功率為120W，濺射時間為15min。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于高阻ZnO單晶的光電導(dǎo)型X射線探測器的制備方法，其特征在于，步驟3)中往ZnO單晶基片(I)的下表面鍍第二 AZO膜層(4)的過程與往ZnO單晶基片(1)的上表面鍍第一 AZO膜層(2)的過程相同。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于高阻ZnO單晶的光電導(dǎo)型X射線探測器的制備方法，其特征在于，步驟3)中往ZnO單晶基片(I)的下表面鍍第二 Al膜層(5)的過程與往ZnO單晶基片(I)的上表面鍍第一 Al膜層(3)的過程相同。
【文檔編號】H01L31/102GK103794674SQ201410014550
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2014年1月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月13日
【發(fā)明者】賀永寧, 陳亮, 趙小龍, 劉晗, 歐陽曉平 申請人:西安交通大學(xué)