一种基于掺镁氧化镓单晶的X射线和伽玛射线探测器制造技术

本发明专利技术涉及一种基于掺镁氧化镓单晶的X射线和伽玛射线探测器，包括：掺镁氧化镓双面抛光晶片(2)，设置在掺镁氧化镓双面抛光晶片(2)一侧表面的Au电极(1)，设置在掺镁氧化镓双面抛光晶片(2)另一侧表面的Au复合电极，Au电极(1)与Au复合电极经外接电路(5)连通。与现有技术相比，本发明专利技术具有低的本征载流子浓度和高的电阻值，获得了高的灵敏度。

An X-ray and gamma ray detector based on MgO doped single crystal

【技术实现步骤摘要】
一种基于掺镁氧化镓单晶的X射线和伽玛射线探测器
本专利技术属于半导体核辐射探测器件领域，尤其是涉及一种基于掺镁氧化镓单晶的X射线和伽玛射线探测器。
技术介绍
X射线和伽玛射线探测在核医学成像、安检、暗物质探测等领域具有重要应用。半导体探测器属于直接探测方法，基本过程是高能辐射在半导体材料内部产生电子-空穴对，在电场的作用下电子-空穴分别向两个电极输运，在电路中形成电流或电压信号。与其它核辐射探测方法相比，半导体探测具有电荷收集效率高、灵敏度高、探测效率高等显著优点。传统半导体探测器如高纯Ge探测器，Si漂移探测器等窄带隙半导体探测器必须在低温下工作以降低暗电流，在实际应用上带来了限制。CdZnTe探测器的带隙比Ge、Si宽，可以在室温下使用，但高质量、高一致性的晶体材料生长较为困难，导致成本很高，不利于广泛应用。其他宽带隙半导体探测器，如ZnO探测器、金刚石探测器、SiC探测器和GaN探测器等都因为材料制备的困难而离实际应用较远。近几年出现的氧化镓宽禁带半导体为X射线和伽玛射线探测器带来了新的希望。氧化镓的带隙为4.9eV，击穿场强可以高达8MV/cm，因此理论上该材料可以采用很高的偏压实现射线致载流子的高效收集，以提高探测效率。氧化镓单晶可以采用熔体法生长，例如提拉法、浮区法、导模法等。这些生长方法有利于获得高质量、大体积、低成本的单晶。基于氧化镓单晶的X射线探测器已有报道(如“Schottkyx-raydetectorsbasedonabulkbeta-Ga2O3substrate”,AppliedPhysicsLetters112,103502,2018)。但目前生长出的氧化镓单晶由于其原料中含有的微量杂质和制备过程中产生的本征缺陷，导致所获得的非掺杂单晶都具有n型导电性，最高自由电子浓度可达1x1018cm-3数量级，电阻率可达0.1Ωcm数量级。这样大的载流子浓度会产生高的暗电流，导致低的探测灵敏度，甚至在探测较弱信号时完全失效。对于X射线和伽玛射线探测，为了对射线有效吸收，氧化镓半导体层的厚度通常是200-5000微米，对于如此厚度的半导体材料，如果要有效收集射线产生的电荷，就必须施加足够的电压以形成足够的电场强度，然而高电压同时导致本征载流子信号的增强。因此降低氧化镓本征载流子浓度，提高电阻值，是提高其探测灵敏度的关键。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于掺镁氧化镓单晶的X射线和伽玛射线探测器，解决了现有技术中X射线和伽玛射线探测灵敏度不高的技术问题。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种基于掺镁氧化镓单晶的X射线和伽玛射线探测器，包括：掺镁氧化镓双面抛光晶片，设置在所述掺镁氧化镓双面抛光晶片一侧表面的Au电极，设置在所述掺镁氧化镓双面抛光晶片另一侧表面的Au复合电极，所述Au电极与所述Au复合电极经外接电路连通。采用Mg来进行掺杂是本专利技术关键的技术方案之一，Mg是+2价离子，在晶体中取代Ga占据的是+3价的格位，因此是受主中心。通过理论计算表明，这种受主形成的是深受主能级，其能级位置距离价带顶约1.15eV。这属于深受主能级，深受主能级在室温下不会主动释放空穴，但当材料中有自由电子时，可以俘获这些电子，产生电离，起到补偿受主的作用。当补偿受主浓度稍微超过自由电子浓度时，也不会产生空穴的净释放。所述掺镁氧化镓双面抛光晶片中镁的掺杂浓度为100-500molppm，非故意掺杂氧化镓晶体中的浅施主能级释放的电子主要来源于原料中的四价元素杂质离子形成，例如Si4+，Ge4+等，以及提拉法和导模法晶体生长中Ir坩埚带入的Ir4+杂质离子。制备环境中的氢也可能形成浅施主能级产生自由电子。为了起到补偿作用通常需要超过自由电子的浓度。氧化镓原料纯度至少99.99％。自由载流子浓度如果按照1x1018cm-3数量级计算，对应补偿受主浓度约为100molppm，考虑到适当过量需求和晶体生长过程中分凝系数的影响，最高掺杂浓度设定为500molppm为宜。更高的掺杂浓度可能形成填隙位置的Mg2+离子，成为浅施主能级，反而增加了晶体中自由电子的浓度。热力学平衡条件下，Mg2+离子占据Ga3+格位的浓度可以表示为：C＝Nexp(-Ef/kBT)，其中，N是单位体积中可能占据的格位数，Ef是占据的形成能，kB是玻尔兹曼常数，T是制备条件时的温度。Ga在氧化镓晶体中有两个不同的格位，根据我们的理论计算，其被Mg2+占据的形成能分别为1.2和1.3eV。晶体生长温度约为1800℃，因此可能被Mg2+离子占据Ga3+格位的比例分别为0.06％和0.04％，平均约为0.05％(500molppm)。这表明当增加Mg原料的配比时，也无法使其占据更多的Ga3+格位，而更易形成Mg离子团聚或填隙的Mg离子。为了验证浓度对应的电阻率关系，我们采用浮区法制备了系列镁掺杂浓度实验，浓度值采用GDMS测量，电阻率通过四探针法测试，结果表明掺杂镁浓度在100-500molppm区间时，电阻率大于1.0×1010Ω·cm。所述掺镁氧化镓双面抛光晶片的厚度D为：D＝1/μ，μ是吸收系数。这个厚度的具体值可以根据图2曲线确定，针对不同射线能量需要取不同的值，因为不同能量下吸收系数μ是不同的，在典型的X射线和伽玛射线能量范围下，如30keV-1000keV范围，相应的厚度范围是0.18mm-2.9mm，能量越高则要求厚度越大。对于X射线和伽玛射线这类高能光子的探测，由于其穿透能力强，样品必须有足够的厚度以吸收这些高能光子，能量越高材料的吸收系数越低，则需要更厚的样品。射线穿过厚度为d的样品后的透射比例可以表示为I/I0＝exp(-μd)，其中I0是入射射线强度，I是射线穿过厚度为d的样品后的透射比例，μ是吸收系数，是光子能量的函数，则被样品吸收的射线比例为1-exp(-μd)。我们定义一个吸收长度D，在此厚度下样品吸收射线能量的比例为1-exp(-1)＝63.2％。即该厚度D时，可以吸收高能光子能量的63.2％。我将采用该厚度的样品制作探测器件，实现射线的探测。需要说明的是，采用更厚的样品可以吸收更多的射线能量，增加辐射致载流子的数量，但更厚的样品会面临载流子收集效率的降低，因为载流子需要穿越更长的路程，导致复合、吸收、散射和俘获的概率显著增长，最终并不会提高探测器的探测效率。由于不同能量的吸收系数不同，我们计算了不同X射线和伽玛射线光子能量所对应的吸收长度。所述掺镁氧化镓双面抛光晶片采用以下方法制备得到：将按照所需掺杂比例的纯度大于99.99％的氧化镓和氧化镁原料经过球磨均匀混合后，采用熔体法，包括提拉法、下降法、浮区法或导模法生长，最后经退火处理后经过切割、定向、双面抛光得到掺镁氧化镓双面抛光晶片。所述熔体法采用Ar和CO2的混合气氛或N2和CO2的混合气氛。其中Ar的比例不超过50％；N2和CO2的混合气体气氛，其中CO2的比例不超过50％。该气氛是为了获得足够的氧分压，避免氧化镓的高温分解和挥发。但不能直接采用氧气，因为在本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于掺镁氧化镓单晶的X射线和伽玛射线探测器，其特征在于，该探测器包括：/n掺镁氧化镓双面抛光晶片(2)，/n设置在所述掺镁氧化镓双面抛光晶片(2)一侧表面的Au电极(1)，/n设置在所述掺镁氧化镓双面抛光晶片(2)另一侧表面的Au复合电极，/n所述Au电极(1)与所述Au复合电极经外接电路(5)连通。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于掺镁氧化镓单晶的X射线和伽玛射线探测器，其特征在于，该探测器包括：
掺镁氧化镓双面抛光晶片(2)，
设置在所述掺镁氧化镓双面抛光晶片(2)一侧表面的Au电极(1)，
设置在所述掺镁氧化镓双面抛光晶片(2)另一侧表面的Au复合电极，
所述Au电极(1)与所述Au复合电极经外接电路(5)连通。


2.根据权利要求1所述的一种基于掺镁氧化镓单晶的X射线和伽玛射线探测器，其特征在于，所述掺镁氧化镓双面抛光晶片(2)中镁的掺杂浓度为100-500molppm。


3.根据权利要求1所述的一种基于掺镁氧化镓单晶的X射线和伽玛射线探测器，其特征在于，所述掺镁氧化镓双面抛光晶片(2)的电阻率大于1.0×1010Ω·cm。


4.根据权利要求1所述的一种基于掺镁氧化镓单晶的X射线和伽玛射线探测器，其特征在于，所述掺镁氧化镓双面抛光晶片(2)的厚度D为：D＝1/μ，μ是吸收系数。


5.根据权利要求1所述的一种基于掺镁氧化镓单晶的X射线和伽玛射线探测器，其特征在于，所述掺镁氧化镓双面抛光晶片(2)采用以下方法制备得到：将按照所需掺杂...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘波，唐慧丽，徐军，陈佳文，朱智超，何诺天，张浩，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：上海;31