PIN结构GaN基α粒子探测器的设计

黄 河， 朱志甫， 王仁波， 魏 雄， 彭新村， 邹继军

(1.东华理工大学核技术应用教育部工程研究中心，江西 南昌 330013;2.东华理工大学江西省新能源工艺与装备工程技术研究中心，江西 南昌 330013)

以GaN为代表的化合物半导体材料被誉为是继第一代Si，Ge半导体材料、第二代GaAs化合物半导体材料之后的第三代半导体材料的代表，属于Ⅲ—Ⅴ族直接带隙化合物半导体，具有禁带宽度大(3.39 eV)、抗辐射能力强、耐高温、耐腐蚀、高饱和载流子漂移速度、高击穿电场、高热导率，对可见光不敏感等优点，是制作耐高温、高压和高功率光电器件的理想材料(Knoll，2010)。在发光二极管(LED)、激光二极管(LD)、紫外探测器和 HEMT(High Electron Mobility Transistor，高电子迁移率晶体管)晶体管等领域已经取得了最为广泛的应用(Strite et al.，1992;Ryu et al.，2005;Mishra et al.，2002;Limb et al.，2006)。由于GaN材料具有上述优点，可以应用在高温和严酷辐照环境下。最近几年，特别是GaN材料具有的禁带宽度大和抗辐照特性，在中子测井、地下勘探、空间检测等核辐射探测技术应用领域具有广泛的应用前景，并开展了大量的研究工作。Polyakov等(2009)报道了采用MOCVD技术制备肖特基结构的GaN基α粒子探测器，在5 V反向偏压下器件的漏电流为10 nA，与商业化的Si探测器相比，电荷收集效率为100%，但是探测效率非常低。就目前而言，虽然对GaN基α粒子核辐射探测器的研究获得了一定的结果，但是GaN材料的一些关键问题还未解决。特别是GaN基α粒子探测器的有源区厚度还不能满足α粒子在GaN材料中的射程，严重影响到探测器的探测效率和能量分辨率。为此，本文通过理论计算和模拟仿真分析α粒子在GaN材料中的射程，优化设计PIN结构的GaN基α粒子探测器的有源层厚度，实现α粒子在GaN材料中能量损失比最大，提高探测效率和能量分辨率，为器件外延生长制备及测试提供理论指导和实验参考数据。

1 GaN基α粒子探测器的PIN结构理论计算

1.1 结构

241Am属于α粒子，带2个单位正电荷，能量为5.486 MeV，属于重带电粒子，质量比较大，电离能较强，实质是42He原子核(汤彬等，2011)，穿透能力较强，需要采用厚的有源区。由于自然界中没有天然的GaN单晶材料，需要依靠材料生长的方法实现GaN单晶材料(GaN属于III－V族化合物)，而通过外延生长方法生长的GaN的厚度有限，以至于α粒子穿透外延生长的GaN材料时沉积在GaN材料中的能量少，产生的电子－空穴对少，造成探测效率低。而PIN结构中的I层通过生长时间来调节其厚度，即增大PIN结构探测器的有源区面积。PIN结构GaN基α粒子探测器结构示意图如图1所示。

图1 PIN结构GaN基α粒子探测器结构示意图Fig.1 Schematic diagram of GaN-based pin-structure alpha particle detector

从图 1 可以看出，由 p－GaN，u－GaN，n－GaN 构成PIN结构。探测器的有源区是I层即u－GaN，α粒子入射通过P型电极。缓冲层Buffer u－GaN的作用是使生长的GaN材料与蓝宝石衬底晶格匹配。GaN基探测器的两电极是在p－GaN材料上沉积Ni/Au合金构成 P结电极，在n－GaN材料上沉积 Ti/Al/Ti/Au合金构成n结电极，实现欧姆接触电极。根据GaN欧姆接触制备的要求，p结欧姆接触电极Ni/Au合金厚度分别为20 nm和40 nm，n结欧姆接触电极Ti/Al/Ti/Au合金厚度分别为15 nm，20 nm，20 nm，30 nm。α粒子照射到GaN基探测器上时，在PIN的I层产生电子－空穴对。所以，I层的厚度决定探测器的探测效率和能量分辨率。I层厚度受两方面因素影响:一是厚的I层可以在空间电荷区I层沉积更多的α粒子能量，以至于产生更多的电子空穴对，使探测器的输出信号幅度增大;二是厚的I层会增加电子－空穴到达电极的电荷收集时间，强电场将电子－空穴扫向电极两端之前已经被复合掉，影响探测器的探测效率。为此，要精确计算并模拟仿真I层的厚度。

1.2 α粒子在电极上能量损失比计算

α粒子与GaN材料相互作用的机理主要是靠α粒子所带的2个单位的正电荷与GaN原子的外层电子由于库仑力的存在发生非弹性碰撞而损失能量。照射在GaN材料上时的路径近似一条直线，在其路径的末端之前能量损失很大，在其路径的末端之后的能量损失是由于发生弹性碰撞而损失能量，其路径末端存在弯曲。由此，只考虑α粒子与GaN相互作用的路径弯曲之前的直线部分，则α粒子在材料中的能量损失与材料的厚度之间的关系可近似看成线性关系。如果耗尽区足够宽，α粒子将全部耗尽在图1中，无论α粒子是从p结入射还是从n结入射，α粒子会在两个电极上损失能量，但是都不会在电极上面产生电子－空穴对，α粒子只有在结区的空间电荷区I层才会产生电子－空穴对。采用MOCVD技术制备GaN基α粒子探测器，缓冲层的厚度一般是2 μm，这样可有效的减小晶格不匹配造成大量的缺陷，因此n－GaN层的厚度也比较厚，厚度一般为2 μm。由于p－GaN是通过掺杂Mg元素实现的，Mg元素在GaN中属于受主杂质，MOCVD技术在高温生长过程中使用大量氨气使其分解，造成氢在GaN中与 Mg结合成 Mg－HX复合体，Mg受主杂质的活性钝化，严重影响p－GaN材料的质量。所以，p－GaN的厚度不能太厚，太厚还会影响到α粒子在I层有源区的能量沉积，太薄会影响到p结欧姆接触电极的质量，厚度一般为0.4 μm。

当α粒子从p型欧姆接触电极入射时，α粒子将会在Ni/Au合金上损失能量。根据Bragg公式及 L.S.S 理论(汤彬等，2011;Tsoulfanidis et al，2010)，α粒子在介质上的射程为:

其中，E为α粒子能量，Ax，ρx分别为介质的原子量与密度。

由公式(1)计算可得，能量为 5.486 MeV的241Am源在Ni和Au的射程分别为:

Ni/Au合金厚度分别为20 nm和40 nm，则α粒子在Ni/Au电极上能量损失比通过对Ni/Au的厚度进行积分可得:

2 I层厚度的计算

α粒子(能量介于2～10 MeV)穿过GaN材料时，主要通过库仑力与GaN中原子的核外电子发生非弹性碰撞而损失能量，并改变物质原子的能量状态，引起电离和激发。电离损失是α粒子与GaN作用过程中，引起能量损失的主要方式，电离能量损失率与α粒子的速度和电荷有关，也与GaN材料的原子序数、原子密度、平均电离能有关。α粒子的质量比较大，在GaN材料中运动时不断损失能量，与GaN原子的轨道电子的相互作用不会导致其运动方向有大的改变，待能量耗尽时就停留在GaN材料中，其沿原来入射方向所穿过的最大距离即射程近乎一条直线。α粒子在GaN材料中的能量损失率越大，电离产生电子－空穴对就越多，电荷收集的越多。GaN材料在300 K时的重要参数如表1所示。根据表1的参数，利用SRIM模拟仿真α粒子在GaN中的能量损失和射程，模拟结果如图2所示。

表1 GaN材料的一些重要参数(T=300 K)Table1 The parameters of GaN material

由此，根据图2的Bragg曲线关系，将图中的曲线数据对厚度进行积分，可得241Am在p－GaN中的射程为

241Am在厚度为0.4 μm 的 p－GaN 中的能量损失比为

由式(4)、(5)、(7)可知，未产生电子-空穴对时241Am的α粒子的能量损失比为8.92%。要想使91.08% 的241Am的α粒子能量损失在I层u－GaN中产生电子-空穴对，那么I层的厚度为:

图2 5.486MeV的241Am在GaN中的能量损失比(Bragg曲线)Fig.2 5.486 MeV241Am energy loss ratio in GaN(Bragg curve)

对于241Am的α源，为了具有高的探测效率和能量分辨率，PIN结构中的I层的厚度至少要大于13.14 μm。

根据上述计算分析，优化后的GaN基α粒子探测器的PIN结构及各层厚度如图3所示。

图3 优化设计GaN基α粒子探测器的PIN结构Fig.3 Design of PIN GaN-based alpha particle optimize detector structure

3 结论

α粒子与GaN材料相互作用机理目前还未被人类完全探知，GaN材料界面的散射和反射也会对α粒子的能量损失有一定影响，本文在仿真时未以考虑，所以在实验中应该加以考虑。利用SRIM模拟仿真241Am放射性源在GaN材料中的射程及能量损失比，得出α粒子在器件电极和p－GaN中能量损失比，计算出最佳PIN结构中I层的厚度，优化并设计GaN基α粒子探测器PIN结构及各层厚度，为PIN结构GaN基α粒子探测器的制备提供理论依据和实验参考数据。

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