本發(fā)明屬于面陣型核探測(cè)器技術(shù)領(lǐng)域，具體地講，涉及一種大面積水平耗盡型中子探測(cè)器和該中子探測(cè)器的制備方法。

背景技術(shù)：

中子探測(cè)在核醫(yī)學(xué)及臨床診斷、本地輻射場(chǎng)測(cè)量、空間物理學(xué)、航天航空及工業(yè)應(yīng)用、核電站安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、隱藏核材料探測(cè)等眾多領(lǐng)域中都有著極其重要的意義。隨著中子成像檢測(cè)和診斷技術(shù)的發(fā)展，利用氦(³He)氣體計(jì)數(shù)管的傳統(tǒng)探測(cè)器已經(jīng)不能滿足需要，特別是針對(duì)位置高靈敏度的探測(cè)。開(kāi)發(fā)小巧、可集成、在低偏壓下仍能正常工作且具有高靈敏空間分辨率、高的探測(cè)效率、更耐高溫和輻照工作的半導(dǎo)體探測(cè)器單元和二維面陣新型半導(dǎo)體中子探測(cè)器不但具有重要的科學(xué)研究?jī)r(jià)值，而且具有廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè)前景。

國(guó)外早在二十世紀(jì)30年代就已經(jīng)開(kāi)始了基于硅(Si)器件的中子能譜測(cè)量技術(shù)的研究工作，到1960年已經(jīng)基本上明確了中子能譜測(cè)量的所有原理方法，此后的發(fā)展方向就是拓寬能譜測(cè)量范圍、提高探測(cè)器的探測(cè)效率和提高能量分辨率。硅(Si)器件具有對(duì)帶電粒子的能量分辨率高、探測(cè)效率高、時(shí)間響應(yīng)快、線性范圍寬以及體積小等優(yōu)點(diǎn)。但Si器件卻有以下難以克服的缺點(diǎn)：a)對(duì)輻射損傷靈敏，受一定強(qiáng)度粒子輻照后(快中子注量為10⁹/cm²)漏電流、分辨率等性能逐漸變差，甚至完全失效(快中子注量為10¹²/cm²)；b)Si器件一般在室溫或低溫條件下工作，無(wú)法勝任在高溫(>500℃)條件下的測(cè)量工作；c)Si器件容易被擊穿，工作偏壓一般小于200V。

由于始終無(wú)法解決探測(cè)器耐輻照的問(wèn)題，到上世紀(jì)90年代以后，基于Si器件的夾心中子探測(cè)器的研究及應(yīng)用基本沒(méi)有發(fā)展。近十余年來(lái)，隨著4H-SiC材料生長(zhǎng)的蓬勃發(fā)展，美國(guó)的Cree、中國(guó)的天科合達(dá)等公司均已研發(fā)出高純度的4H-SiC晶體材料生長(zhǎng)能力[E.V.Kalinina,N.B.Strokan,A.M.Ivanov.High-Temperature Nuclear-Detector Arrays Based on 4H-SiC Ion-Implantation-Doped p+–n Junctions，ISSN 1063-7826,Semiconductors,2008,42(1):86–91，靳根,陳法國(guó),楊亞鵬.耐高溫耐輻射的碳化硅半導(dǎo)體探測(cè)器[J].核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù),2010,30(07):909-912.]。特別是最近幾年來(lái)，國(guó)內(nèi)少數(shù)幾家 單位已掌握了低N摻雜4H-SiC同質(zhì)外延層生長(zhǎng)技術(shù)、以及肖特基接觸和歐姆接觸制作等工藝技術(shù)。金剛石薄膜器件同樣耐輻照，但是，晶體管的制作非常困難，價(jià)格也很高。

從目前技術(shù)角度看，無(wú)論是SiC還是金剛石，在材料質(zhì)量、器件制作、大面積生長(zhǎng)以及制作成本方面存在很多問(wèn)題，尤其是在制作面陣型探測(cè)器方面。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種大面積水平耗盡型中子探測(cè)器和該中子探測(cè)器的制備方法，該中子探測(cè)器具有高效率、耐輻射、低成本等優(yōu)點(diǎn)，并且該方法能夠解決制備大面積面陣型探測(cè)器的技術(shù)難題。

根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供一種制備大面積水平耗盡型中子探測(cè)器，所述中子探測(cè)器包括：基底；吸收層，位于基底上，吸收層由CuInSe₂制成；CdS層，位于吸收層上并且與吸收層形成異質(zhì)結(jié)，CdS層包括暴露吸收層的至少一部分的第一接觸孔；ZnO層，位于CdS層上，并且包括與第一接觸孔對(duì)應(yīng)且暴露CdS層的至少一部分的第二接觸孔；第一電極，與ZnO層接觸；第二電極，通過(guò)第一接觸孔和第二接觸孔與吸收層接觸，并且與第一電極隔開(kāi)預(yù)定距離。

根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例，所述吸收層的厚度可以為5μm-10μm，所述CdS層的厚度可以為50nm-100nm，所述ZnO層的厚度可以為50nm-100nm。

根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例，所述第一電極和第二電極之間的預(yù)定距離可以為20μm-40μm。

根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例，所述中子探測(cè)器中包括的第一電極和第二電極的個(gè)數(shù)分別可以為多個(gè)，并且第一電極和第二電極交替布置。

根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例，所述基底可以為鈉鈣玻璃基底。

根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種大面積水平耗盡型中子探測(cè)器的制備方法，所述方法包括：共蒸鍍或者濺射-硒化在基底上形成吸收層，吸收層由CuInSe₂制成；在吸收層上形成CdS層；在CdS層上形成ZnO層；在ZnO層的一部分上形成第一電極；形成第二電極，第二電極與第一電極之間隔開(kāi)預(yù)定距離，其中，吸收層與CdS層形成異質(zhì)結(jié)。

根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例，形成第一電極的步驟可以包括：在ZnO層上涂覆光刻膠；對(duì)光刻膠進(jìn)行曝光和顯影，以暴露ZnO層的一部分；在ZnO層的 暴露的部分上形成第一電極。

根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例，形成第二電極的步驟可以包括：在ZnO層中形成暴露CdS層的至少一部分的第二接觸孔；在CdS層的第二接觸孔暴露的部分中形成暴露吸收層的至少一部分的第一接觸孔；在吸收層的第一接觸孔和第二接觸孔暴露的部分上形成第二電極。

根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例，所述吸收層的厚度可以為5μm-10μm，所述CdS層的厚度可以為50nm-100nm，所述ZnO層的厚度可以為50nm-100nm。

根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例，所述第一電極和第二電極之間的預(yù)定距離可以為20μm-40μm。

根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例，所述中子探測(cè)器中包括的第一電極和第二電極的個(gè)數(shù)分別可以為多個(gè)，并且第一電極和第二電極交替布置。

本發(fā)明采用諸如CuInSe₂的吸收層/CdS層替代SiC來(lái)制備耐輻照的中子探測(cè)器，一方面可以降低成本，另一方面可以克服大面積面陣型探測(cè)器制作上的難題。另外，諸如CuInSe₂的吸收層/CdS層與SiC、金剛石等材料相比，具有禁帶寬且禁帶寬度可調(diào)的特點(diǎn)，適合于制作高輻照條件下的電子學(xué)器件，并且給高性能中子探測(cè)器面陣的發(fā)展帶來(lái)新的希望。

附圖說(shuō)明

圖1示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的大面積水平耗盡型中子探測(cè)器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2A至圖2E是示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的制備大面積水平耗盡型中子探測(cè)器的工藝流程圖；

圖3A至圖3K是示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的制備大面積水平耗盡型中子探測(cè)器的示例的工藝流程圖。

具體實(shí)施方式

下面將參照附圖詳細(xì)地描述本發(fā)明的示例性實(shí)施例。

以下將結(jié)合附圖來(lái)詳細(xì)描述本發(fā)明的示例性實(shí)施例，然而，附圖只是示意性地示出了本發(fā)明的具體示例，且不具有限制作用。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解的是，在不脫離本發(fā)明的權(quán)利要求所限定的保護(hù)范圍的情況下，可以對(duì)其 進(jìn)行各種修改和變形。

CuInSe₂是一種重要的硫?qū)侔雽?dǎo)體光電薄膜，可以與CdS等化合物結(jié)合制備多晶薄膜太陽(yáng)能電池?？梢酝ㄟ^(guò)調(diào)節(jié)CuInSe₂材料的粒子尺度、化學(xué)組成和化學(xué)計(jì)量比等來(lái)調(diào)節(jié)帶隙寬度，即粒子吸收范圍，并且與帶電粒子吸收有關(guān)的半導(dǎo)體帶邊的特點(diǎn)對(duì)帶電粒子吸收更加有利，使得探測(cè)器工作更加穩(wěn)定，壽命較長(zhǎng)。為了獲得對(duì)α粒子產(chǎn)生的電荷的高效率收集，本申請(qǐng)將CdS/CuInSe₂材料應(yīng)用于半導(dǎo)體中子探測(cè)器件中。

在下文中，將參照?qǐng)D1詳細(xì)地描述本發(fā)明的大面積水平耗盡型中子探測(cè)器。

圖1是示出了根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的大面積水平耗盡型中子探測(cè)器的結(jié)構(gòu)示意圖。

參照?qǐng)D1，根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的大面積水平耗盡型中子探測(cè)器100包括基底110、吸收層120、CdS層130、ZnO層140、第一電極150和第二電極160。

基底110可以是鈉鈣玻璃、低Fe玻璃、浮法玻璃或其它適合的玻璃。優(yōu)選地，基底110可以是鈉鈣玻璃。

吸收層120形成在基底110上，吸收層120由CuInSe₂形成。另外，吸收層120可以是p-CuInSe₂層，也可以通過(guò)摻入一定的Ga，從而形成p-CuInGaSe₂層。另外，吸收層120的厚度可以為5-10μm。

CdS層130形成在吸收層120上，并且與吸收層120形成異質(zhì)結(jié)。通過(guò)CdS層130和吸收層120形成異質(zhì)結(jié)能夠獲得內(nèi)建電場(chǎng)，從而收集α粒子轟擊CuInSe₂所產(chǎn)生的電荷。CdS層130還包括第一接觸孔，以暴露吸收層120的至少一部分。另外，CdS層130的厚度可以為50nm-100nm。

ZnO層140形成在CdS層130上，并且還包括與第一接觸孔對(duì)應(yīng)且暴露CdS層130的至少一部分的第二接觸孔。另外，ZnO層140的厚度可以為50nm-100nm。

第一電極150(可以稱(chēng)為“負(fù)極”)形成在ZnO層140的一部分上。第二電極160(可以稱(chēng)為“正極”)通過(guò)第一接觸孔和第二接觸孔形成在吸收層120上，并且第二電極160和第一電極150之間隔開(kāi)預(yù)定距離。例如，第二電極160和第一電極150之間的預(yù)定距離可以為20μm-40μm，然而本發(fā)明不限于此。通過(guò)將第二電極160和第一電極150設(shè)置為隔開(kāi)預(yù)定距離可以調(diào)控電荷的漂移時(shí)間， 并且使中子探測(cè)器具有高響應(yīng)速度。另外，中子探測(cè)器100的第一電極150和第二電極160的個(gè)數(shù)可以為多個(gè)，并且第一電極150和第二電極160交替地布置，以使本發(fā)明的中子探測(cè)器具有梳狀的電極對(duì)。另外，第一電極150和第二電極160可以為Al電極，但是本發(fā)明不限于此。

根據(jù)本發(fā)明，通過(guò)在中子探測(cè)器中利用諸如CuInSe₂的吸收層和CdS層形成pn結(jié)，在反向偏壓下器件將處于水平完全耗盡狀態(tài)，探測(cè)器將可以探測(cè)到以6LiF等轉(zhuǎn)換材料產(chǎn)生的高能α粒子轟擊引起的電荷脈沖；而且探測(cè)器的正負(fù)極分別可以由相聚幾十微米的梳狀電極對(duì)所構(gòu)成，通過(guò)改變梳狀電極對(duì)的間距，將可以調(diào)控電荷的漂移時(shí)間，而且具有高響應(yīng)速度的優(yōu)點(diǎn)。

下面將結(jié)合圖2A至圖2E詳細(xì)地描述本發(fā)明的大面積水平耗盡型中子探測(cè)器的制備方法。

圖2A至圖2E是示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的大面積水平耗盡型中子探測(cè)器的制備工藝流程圖。

根據(jù)本發(fā)明的制備大面積水平耗盡型中子探測(cè)器的方法包括：在基底110上形成吸收層120；在吸收層120上形成CdS層130；在CdS層130上形成ZnO層140；在ZnO層140的一部分上形成第一電極150；形成第二電極160。

具體地，如圖2A所示，可以通過(guò)在基底110上共蒸鍍分別包括Cu、In和Se的材料來(lái)形成吸收層120。例如，吸收層120由CuInSe₂形成。在本實(shí)施例中，吸收層120的厚度可以為5-10μm。

接著，如圖2B所示，可以通過(guò)沉積在吸收層120上形成CdS層130。例如，可以在吸收層120上沉積CdS材料來(lái)形成CdS層130。在本實(shí)施例中，CdS層130的厚度可以為50nm-100nm。

然后，如圖2C所示，可以通過(guò)濺射在CdS層130上形成ZnO層140。例如，可以通過(guò)在CdS層130上濺射ZnO材料來(lái)形成ZnO層140。在本實(shí)施例中，ZnO層140的厚度可以為50nm-100nm。

接著，如圖2D所示，可以通過(guò)濺射在ZnO層140的一部分上形成第一電極150。在本實(shí)施例中，可以通過(guò)在ZnO層140上涂覆光刻膠，之后對(duì)光刻膠進(jìn)行曝光和顯影，以暴露ZnO層的一部分，然后通過(guò)濺射在ZnO層140的暴露的部分上形成第一電極150?？梢酝ㄟ^(guò)在ZnO層140上濺射諸如Al的材料來(lái)形成第一電極150。另外，可以在ZnO層140上形成多個(gè)第一電極150，但是本發(fā) 明的第一電極150的個(gè)數(shù)不受具體限制。在本實(shí)施例中，第一電極150的厚度可以為3μm。

然后，如圖2E所示，部分地去除CdS層130和ZnO層140，以形成能夠使吸收層120暴露的第一接觸孔和第二接觸孔；接著，在吸收層120的第一接觸孔和第二接觸孔暴露的部分上形成第二電極160，并且第二電極160和第一電極150之間隔開(kāi)預(yù)定距離。例如，第二電極160和第一電極150之間的預(yù)定距離可以為20μm-40μm，然而本發(fā)明不限于此。通過(guò)將第二電極160和第一電極150設(shè)置為隔開(kāi)預(yù)定距離可以調(diào)控電荷的漂移時(shí)間，并且使中子探測(cè)器具有高響應(yīng)速度。在本實(shí)施例中，可以在與形成第一電極150的條件相似的條件下形成第二電極160，即，可以通過(guò)在吸收層120上濺射諸如Al的材料來(lái)形成第二電極160。另外，可以在吸收層120上形成多個(gè)第二電極160，只有第二電極160與第一電極150交替地布置即可。

下面將結(jié)合圖3A至圖3K對(duì)本發(fā)明的制備大面積水平耗盡型中子探測(cè)器的方法的具體示例進(jìn)一步說(shuō)明，但是本發(fā)明的制備大面積水平耗盡型中子探測(cè)器的方法不限于此。

示例：

依次按照以下步驟制備大面積水平耗盡型中子探測(cè)器。

如圖3A所示，可以將諸如鈉鈣玻璃的基底110放置在500℃的樣品臺(tái)上，之后打開(kāi)Cu源爐(溫度為1210℃)、In源爐(溫度為765℃)和Se源爐(溫度為210℃)，對(duì)基底110進(jìn)行共蒸鍍1h，以在基底110上形成p-CuInSe₂吸收層120。

接著，如圖3B所示，可以在大約80℃的溫度下將上述樣品放置在CdSO₄和硫脲以及氨水的溶液中，沉積大約9min之后，用去離子水進(jìn)行沖洗并用氮?dú)獯蹈?，從而在吸收?20上形成CdS層130。

然后，如圖3C所示，將樣品放置在濺射裝置中，調(diào)節(jié)氧氣流量為2sccm，氬氣流量為20sccm，濺射氣壓為0.1Pa，在ZnO靶濺射功率為440W的條件下對(duì)樣品執(zhí)行預(yù)濺射10min，之后在ZnO靶濺射功率為220W的條件下對(duì)樣品執(zhí)行濺射5min，從而在CdS層130上形成ZnO層140。

然后，如圖3D所示，將正性光刻膠(例如，型號(hào)為AZ5214)滴在樣品的表面上，在轉(zhuǎn)速為3000rmp的條件下旋涂40s，然后在120℃下加熱2min，待冷 卻至室溫時(shí)對(duì)樣品進(jìn)行曝光(時(shí)間可以為50s)和顯影(時(shí)間可以為60s)，最后用去離子水沖洗并與氮?dú)獯蹈?，從而在ZnO層140上得到具有多個(gè)凸起的掩模。

接著，如圖3E所示，在真空度為5×10^-3Pa，電子槍束流為200mA，蒸發(fā)速度為30埃/秒的條件下，對(duì)樣品進(jìn)行蒸發(fā)17min，以在掩模的凸起之間(即，ZnO層140的暴露的部分)間隔地形成3μm厚的鋁膜以作為第一電極150。

然后，如圖3F所示，將樣品放置在去膠液(例如，丙酮)中浸泡10min，并用無(wú)水乙醇浸泡2min，最后用去離子水沖洗并用氮?dú)獯蹈桑匀コ齔nO層140上的掩模。

然后，如圖3G所示，可以將樣品放置在含有0.1wt％的稀鹽酸溶液中刻蝕25s，以去除ZnO層140中的未被第一電極150覆蓋的部分，從而得到第二接觸孔。

接著，如圖3H所示，在CdS層130的第二接觸孔暴露的表面上形成具有多個(gè)凸起的掩模。該步驟與在ZnO層140上形成掩模的工藝相似，將不在此進(jìn)行贅述。

接著，如圖3I所示，利用光刻工藝，去除CdS層130的暴露部分，以得到第一接觸孔。該步驟與在ZnO層140中形成第二接觸孔的工藝相似，將不在此進(jìn)行贅述。

然后，如圖3J所示，在吸收層120的第一接觸孔和第二接觸孔暴露的部分上形成第二電極160。該步驟與蒸鍍第一電極150的工藝相似，將不在此進(jìn)行贅述。另外，第一電極150和第二電極160之間的距離可以在20μm-40μm的范圍內(nèi)。

最后，如圖3K所示，去除CdS層130上的掩模，從而得到中子探測(cè)器100。該步驟與去除ZnO層140上的掩模的工藝相似，將不在此進(jìn)行贅述。

通過(guò)本發(fā)明的方法制備得到的中子探測(cè)器不僅具有高效率、耐腐蝕和低成本等優(yōu)點(diǎn)，而且還能夠克服制備大面積面陣型探測(cè)器的難題。

此外，本申請(qǐng)的中子探測(cè)器件中利用諸如CuInSe₂的吸收層/CdS層，不但可以實(shí)現(xiàn)Si和SiC等材料的功能，而且兼具了Si的大面積制作和SiC的耐高溫耐輻照特性，給高溫高輻照下的高性能固態(tài)中子探測(cè)器帶來(lái)新的發(fā)展。