一种基于双异质结HEMT的高增益X射线探测器

摘要

本发明公开一种基于双异质结HEMT的高增益X射线探测器。包括AlGaN势垒层、GaN沟道层、AlGaN背势垒缓冲层、衬底、Si3N4钝化层、栅极、源极和漏极；探测器结构中的沟道层与背势垒缓冲层界面在辐照过程中因空穴积累，引起势垒高度降低，导致沟道电子电流变化，最终产生极高的电流增益。本发明X射线探测器基于GaN基材料体系，具有强抗电离辐射能力，同时具有极高电流增益，弥补了GaN材料对X射线吸收效率低的缺陷，并且消除了传统GaN肖特基X射线探测器响应时间长的问题。

权利要求

1.一种基于双异质结HEMT的高增益X射线探测器，其特征在于：包括AlGaN势垒层(1)、GaN沟道层(2)、AlGaN背势垒缓冲层(3)、衬底(4)、Si3N4钝化层(5)、以及栅极(6)、源极(7)和漏极(8)；所述的源极(7)和漏极(8)之间设有Si3N4钝化层(5)，源极(7)和漏极(8)为欧姆接触；栅极(6)位于源极(7)和漏极(8)之间，设置在Si3N4钝化层(5)的凹槽内；Si3N4钝化层(5)下方依次设有AlGaN势垒层(1)、GaN沟道层(2)、AlGaN背势垒缓冲层(3)和衬底(4)；AlGaN势垒层/GaN沟道层/AlGaN背势垒缓冲层形成的双异质结；所述AlGaN势垒层，含AlN组分线性渐变，底部与GaN沟道层接触面的AlN组分为0％。

2.根据权利要求1一种基于双异质结HEMT的高增益X射线探测器，其特征在于：所述AlGaN背势垒缓冲层，背势垒高度随辐照过程中空穴积累降低，辐照过后快速恢复。

说明书

一种基于双异质结HEMT的高增益X射线探测器

技术领域

[0001] 本发明涉及X射线探测器，具体涉及一种基于AlGaN/GaN/AlGaN双异质结高电子迁移率晶体管的高电流增益X射线探测器。

背景技术

[0002] X射线剂量探测器在空间探索、核设施监控、射线治疗及生物医学等诸多领域发挥着重要作用，探测器类型主要有盖格计数管、热释光探测器、闪烁体探测器和半导体探测器。随着科技进步，半导体探测器凭借体积小、成本低、灵敏度高的技术优势显示出巨大的开发前景和价值。

[0003] 传统的半导体X射线探测器主要是基于硅材料。高能射线长时间辐照会在硅材料中产生晶格缺陷，缺陷在禁带中间形成的能级成为电子空穴对间接复合的复合中心，这将增大空间电荷区的电子空穴净产生率，最终导致器件性能的退化，包括暗电流的增大。为了加固半导体器件，降低辐射对探测器性能的退化作用，常用的方法有：对探测器进行预辐照，因为辐照引入的缺陷浓度是有限的，预辐照使之达到饱和，在后续的辐射探测中就可以忽略辐照导致的器件性能退化；选用金刚石、SiC和GaN等宽禁带材料。

[0004] GaN材料禁带宽度大，暗电流小，能够有效屏蔽近红外射线和可见光，并且具有优良的抗高能射线辐照的能力，这些特点使得GaN材料在射线探测领域被寄予厚望。AlGaN和GaN都具有很强的自发极化效应，AlGaN自发极化强于GaN。由于AlGaN晶格常数小于GaN，AlGaN层受拉伸应力作用，产生压电极化效应。在自发极化和压电极化效应的共同作用在，不用任何掺杂，就可以在AlGaN/GaN异质结界面处产生面密度1012-13cm-2的极性为正的固定极化电荷，由此在界面聚集一层高浓度(1018-19cm-3)的电子，称为二维电子气(2-DEG)。由于2-DEG沟道中电子浓度高，并且没有掺杂引入的杂质离子，因而电子在2-DEG沟道中迁移率高，饱和速度高，电流密度大，这就是基于AlGaN/GaN异质结高电子迁移率晶体管(High Electron Mobility Transistor,HEMT)器件的基本特性。

[0005] 由于GaN薄膜对高能X射线吸收效率偏低，同时材料中的位移缺陷和深陷阱能级限制了探测器时间相应。目前GaN探测器相关研究主要集中在基于AlGaN/GaN HEMT的紫外线探测器和基于GaN肖特基二极管的低能X射线探测器，基于GaN材料的X射线探测器在实际应用中受到限制。

发明内容

[0006] 针对GaN薄膜材料对X射线吸收效率低，以及时间相应慢的问题，本发明提出一种基于AlGaN/GaN/AlGaN双异质结HEMT的X射线剂量探测器。

[0007] 本发明的技术方案如下：

[0008] 一种基于双异质结HEMT的高增益X射线探测器，包括AlGaN势垒层、GaN沟道层、AlGaN背势垒缓冲层、衬底、Si3N4钝化层、栅极、源极和漏极；所述的源极和漏极之间设有Si3N4钝化层；栅极位于源极和漏极之间，设置在Si3N4钝化层的凹槽内；Si3N4钝化层下方依次设有AlGaN势垒层、GaN沟道层、AlGaN背势垒缓冲层和衬底；AlGaN势垒层/GaN沟道层/AlGaN背势垒缓冲层形成的双异质结。

[0009] 所述AlGaN势垒层，含AlN组分线性渐变，底部与GaN沟道层接触面的AlN组分为0％。

[0010] 所述AlGaN背势垒缓冲层，背势垒高度随辐照过程中空穴积累降低，辐照过后快速恢复。

[0011] 本发明的有益效果在于：本发明X射线探测器具有极高的电流增益，弥补了GaN材料对X射线吸收效率低的问题，同时可以消除时间相应的问题。

附图说明

[0012] 图1为本发明公开的双异质结高电子迁移率晶体管探测器的结构示意图；

[0013] 图2为本发明探测器辐照过程中产生电子空穴的流动示意图；

[0014] 图3为本发明探测器辐照过程中漏极响应电流；

[0015] 图4为本发明探测器辐照电流响应与入射光子密度关系曲线。

具体实施方式

[0016] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图对本发明进行具体阐述。

[0017] 本发明X射线探测器，基于AlGaN/GaN/AlGaN双异质结HEMT，如图1所示，为探测器结构示意图，包含：AlGaN势垒层(1)，GaN沟道层(2)，AlGaN背势垒缓冲层(3)，衬底(4)，Si3N4钝化层(5)，以及栅极(6)、源极(7)、和漏极(8)。

[0018] 图1所示器件结构沟道长度1微米，宽1微米，各层均无掺杂。所述AlGaN势垒层(1)含AlN组分线性渐变，势垒层顶部AlN组分为30％，底部与GaN沟道层(2)接触面AlN组分为0％，势垒层厚度为20纳米；GaN沟道层(2)厚度30纳米；AlGaN背势垒缓冲层(3)含AlN组分为
10％，厚度500纳米；栅极(6)为肖特基接触，源极(7)和漏极(8)为欧姆接触。

[0019] X射线辐照过程中，器件栅极中间纵向沿线能带如图2所示，由于AlGaN势垒层AlN组分渐变，形成的电子沟道与传统HEMT中AlGaN/GaN界面形成的二维电子气(2-DEG)不同，覆盖了整个AlGaN势垒层。辐照产生的电子空穴对在电场作用下漂移运动，电子流向电子沟道，最终从器件漏极流出，而空穴在背势垒界面累积。随着空穴的堆积，背势垒高度下降，对电子沟道内的电子电流大小产生影响，即改变器件输出电流。

[0020] 对于能量22keV的入射X射线光子，材料吸收效率约为5％，即吸收射线能量1.1keV，GaN的禁带宽度为3.39eV，以禁带宽度的3倍估计其电离能，即每电离产生一对电子空穴对需要能量为3.39×3≈10eV，于是每个入射X射线光子可以产生1100/10＝110对电子空穴对。每秒5×105个光子入射产生的电子全部从漏极流出形成的漏电流大小为8×10-
12A。如图3是辐照过程中探测器漏极响应电流，即辐照下电流大小减去无辐照时电流大小，可见由电子沟道背势垒高度变化产生的辐射响应电流幅度为43uA，电流增益达到5×106，弥补了材料对X射线吸收效率低的问题。同时响应电流脉冲上升沿陡直，不存在固有时间响应的问题。

[0021] 本发明探测器辐照电流响应与入射光子密度关系曲线如图4所示。

[0022] 以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明权利要求的涵盖范围。