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1、GaN基PIN結(jié)構(gòu)X射線探測器的研制1,211*付凱，于國浩，陸敏(1.中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所，江蘇蘇州215123；2.中國科學(xué)院研究生院，北京，100049)摘要：我們使用GaN基材料制備了PIN結(jié)構(gòu)核輻射探測器，研究了探測器對X射線響應(yīng)的多方面性能。在沒有X射線照射時，探測器具有很低的漏電流，在-10V時小于0.1nA。并對探測器的X射線的響應(yīng)時間特性進行了分析和模擬，給出了很好的物理機制解釋。研究了信噪比隨外加偏壓的變化，并得到了最佳信噪比對應(yīng)的工作電壓在-20V。關(guān)鍵詞：GaN；X射線探測器；信噪比；時間
2、響應(yīng)中圖分類號:O472.3；O472.4PACS:29.40.Wk；85.30.De；85.30.KkPACC:2940P；7280E文獻標識碼:A基金項目:國家自然科學(xué)基金資助項目(10875084)；江蘇省自然科學(xué)基金資助項目（BK2008174）；蘇州市應(yīng)用基礎(chǔ)研究計劃資助項目（SYJG0915）；國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃資助項目（G2009CB929300）作者簡介：付凱（1986－），男，山東省曲阜市人，主要從事寬禁帶半導(dǎo)體探測器的研究。E-mail:kfu2009@sinano.ac.cn，Tel.:13404210
3、217,0512-69561869*：陸敏；E-mail:mlu2006@sinano.ac.cn，Tel.:18913125160,0512-628725201引言GaN材料作為寬禁帶半導(dǎo)體，相對為傳統(tǒng)的Si材料具有更好的應(yīng)用前景。[1,2][3,4]GaN材料已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到發(fā)光二極管（LED），激光二極管（LD），高[5,6][7,8]電子遷移率晶體管（HEMT）和紫外探測器等光電領(lǐng)域。同時，由于GaN材料具有很好的抗輻射性和很高的化學(xué)穩(wěn)定性，人們對GaN材料在核探測領(lǐng)域[9~12]的應(yīng)用進行了大量研究。然而，關(guān)于GaN應(yīng)用
4、到X射線探測中的研究報道[13]卻很少。本文通過研制GaN基PIN結(jié)構(gòu)的X射線探測器，對GaN基PIN結(jié)構(gòu)探測器的X射線響應(yīng)特性進行了研究。2實驗圖1是器件的結(jié)構(gòu)示意圖。GaN樣品采用金屬有機化學(xué)氣相沉積（MOCVD）的方式在藍寶石襯底上進行生長。p型GaN層的厚度是0.2μm，n型GaN層的厚度是4μm，兩者之間是8μm的非故意參雜的GaN層。其中，圓形p電極的直徑大小為1mm，環(huán)形n電極的寬度為150μm。采用Ⅲ-Ⅴ族感應(yīng)耦合等離子刻蝕（Ⅲ-ⅤICP）技術(shù)進行臺階刻蝕，在n型GaN上濺射合金Ti/Al/Ti/Au（20/20/
5、20/300nm)，并在氮氣環(huán)境下進行850℃的快速退火處理30s。p電極是采用電子束蒸發(fā)Ni/Au（25/25nm），并在氧氣氣氛下進行500℃快速退火5min。實驗中的X射線源采用鎢靶，并把它的工作電壓和電流分別設(shè)定為120kV和120μA。實驗中用到的主要設(shè)備有Keithley6485皮安計和Keithley2400電壓源。Ni/AuNi/Aup-GaNTi/Al/Ti/AuGaNTi/Al/Ti/Aun-GaNGaN藍寶石襯底GaN(a)(b)圖1GaN基PIN探測器的結(jié)構(gòu)示意圖：(a)剖面圖；(b)俯視圖。Fig.1.S
6、chematicdiagramofGaNbasedPINdetectorstructure:(a)section;(b)planform.3結(jié)果與討論圖2是實驗測得的GaN基PIN探測器的典型的I-V曲線。從實驗結(jié)果可以看出，器件具有很小的反向暗電流，其中，在外加偏壓為-10V時的電流小于0.1nA，這樣就保證了GaN基PIN探測器在反偏工作時具有較小的暗電流噪聲。將X射線源的工作電壓和工作電流設(shè)定在120kV和120μA，我們從-10V到-40V對器件的X射線響應(yīng)進行了研究。201816）14A12n10（86電流420-40-
7、30-20-10010電壓（V）圖2.GaN基PIN結(jié)構(gòu)探測器的典型的I-V曲線。Fig.2.TypicalI-VcurveoftheGaNbasedPINdetector.當p-i-n結(jié)處于熱平衡時，靈敏區(qū)內(nèi)通過的載流子產(chǎn)生率等于復(fù)合率，沒有電流。當探測器兩端加反偏電壓時，電子-空穴對來不及復(fù)合就被電場分開，載流子的產(chǎn)率大于復(fù)合率，產(chǎn)生電流與反向擴散電流組成暗電流。當開始照射X射線時，光生電子-空穴對不斷增加，使得光電流逐漸大于暗電流。圖3是GaN基PIN結(jié)構(gòu)探測器工作在-20V時對X射線的時間響應(yīng)曲線。當X射線管開啟時，光電流
8、急劇增加，并在一定時間后達到穩(wěn)定；當關(guān)閉X射線時，光電流以指數(shù)衰減形式逐漸減小。從實驗結(jié)果得到，PIN型探測器對應(yīng)X射線源開關(guān)時的上升與下降段的渡越時間分別為4s和80s左右，相比于GaN基肖特基型的X射線[14,15]探測器（約40s和5s）具有
