一种将核辐射转变为发光的有源半导体核辐射探测器件的制作方法

1.本发明属于核辐射探测技术，涉及一种将核辐射转变为发光的有源半导体核辐射探测器件，能够替代传统的闪烁体功能。


背景技术：

2.闪烁体是核辐射探测非常重要的基础材料，其功能是将高能量粒子和射线转变为光，通过对闪烁体发光的测量实现对高能量粒子和射线的探测，在高能物理与核物理实验、核医学成像、环境监测伽马能谱测量等领域有广泛应用，也是脉冲辐射场中子、伽马诊断以及构建脉冲辐射成像系统不可或缺的关键材料。发光效率和发光时间是闪烁体两个重要参数，决定着闪烁探测系统的能量分辨、时间响应等关键性能，研究开发高效、快速的闪烁体一直是核辐射探测领域的追求目标和努力方向。经过一个世纪的研究，闪烁体种类得到了丰富和发展，闪烁体性能大幅度提升，但是同时具有高发光效率和快发光时间的闪烁体依然是个难以企及的梦想。现有的闪烁体中，发光效率和速度往往难以兼顾，例如zno、cui等宽禁带半导体材料的发光时间可以达到亚纳秒，但发光效率特别低；而sri2(eu)光产额超过85000ph/mev，但衰减时间慢至微秒量级。
3.闪烁体发光主要取决于材料自身性质，难以控制，人工干预通常以牺牲光产额为代价提高发光速度，例如对yag晶体进行加热，其衰减时间显著变短，但发光效率也降低。也有研究利用量子限域效应、等离子体激元等设计加速发光跃迁过程，效率依然很低。


技术实现要素：

4.要解决的技术问题
5.为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种将核辐射转变为发光的有源半导体核辐射探测器件，提出一种基于“核—电—光”转换探测思想的电光耦合核辐射探测技术。该技术基于现代的半导体器件技术，将传统的pin半导体探测器技术与led发光结构组合，利用反偏的pin结完成射线作用下的能量沉积、产生载流子，载流子在电场作用下进入led，并在复合发光区转变为光输出，实现“核—电—光”的转换探测，从而形成了一种用于核辐射探测的新型半导体有源器件。相对于闪烁体发光过程的不受控，新器件为有源器件，通过结构设计及外加电场的调节，可以实现对载流子输运、载流子复合发光过程的有效控制，进而实现“核—电—光”转换探测过程受控。
6.技术方案
7.一种将核辐射转变为发光的有源半导体核辐射探测器件，其特征在于包括pin结构1和led发光二极管2；两者为串联结构，且串联区域为共用一个n层或者p层；器件表面分别制作电极7和电极8。
8.当共用层为n层时，pin结构1由p型半导体材料3、本征半导体材料4和n型半导体材料5组成；led发光二极管2由n型半导体材料5和p型半导体材料6组成；多层不同类型的半导体材料堆叠组成pinp结构。
9.当共用层为p层时，pin结构1由n型半导体材料3、本征半导体材料4和p型半导体材料5组成；led发光二极管2由p型半导体材料5和n型半导体材料6组成；多层不同类型的半导体材料堆叠组成nipn结构。
10.所述led发光二极管2为简单pn结，或多层量子阱发光结构。
11.所述led发光面为大面积单片结构，或为多个小led发光面阵结构。
12.所述本征半导体材料4厚度介于0.01mm至2mm。
13.所述电极7和p型半导体材料3厚度应小于1μm。
14.所述电极7和电极8至少有一个为透明电极，以保证led发光二极管2发光能够顺利的出射。
15.有益效果
16.本发明提出的一种将核辐射转变为发光的有源半导体核辐射探测器件，包括pin结构1和led发光二极管2；两者为串联结构，且串联区域为共用一个n层或者p层；器件表面分别制作电极7和电极8。将传统的pin半导体探测器技术与led发光结构组合，利用反偏的pin结完成射线作用下的能量沉积、产生载流子，载流子在电场作用下进入led，并在复合发光区转变为光输出，实现“核—电—光”的转换探测，从而形成了一种用于核辐射探测的新型半导体有源器件。相对于闪烁体发光过程的不受控，新器件为有源器件，通过结构设计及外加电场的调节，可以实现对载流子输运、载流子复合发光过程的有效控制，进而实现“核—电—光”转换探测过程受控。
17.相较于传统的闪烁体，新器件在时间响应和发光效率上有很好的潜在优势。1时间响应：pin半导体探测器的时间响应以及led发光过程通常在纳秒至亚纳秒量级，由此耦合而成的新器件的时间响应保持在纳秒至亚纳秒时间尺度；2发光效率：对于pin半导体核辐射探测器，约有1/3的射线沉积能量对产生载流子有贡献，当前led器件的发光内量子效率可达50％以上，不考虑载流子输运过程中的损失，可以估算整个射线沉积能量至发光的转化效率可达到16.7％，远高于一般常见闪烁体。3辐射成像：射线作用产生的载流子主要分布在离子径迹附近，而在电场作用下定向漂移的载流子将在与径迹对应的特定位置符合发光，射线作用的位置信息将在发光图像上得以保留，结合大面积半导体器件制作技术，该器件可以作为核辐射成像屏使用。
18.本发明提出的电光耦合核辐射探测技术为核辐射至光转换探测提供了一种全新的技术途径，不仅能够实现核辐射探测发光过程的可控，而且可以充分利用新一代半导体材料以及器件制造技术，结合如量子阱、光子晶体等技术还可实现对发光波长、发光角分布等参数的调节，赋予该器件传统闪烁体所不具备的独特性能，从而更好的满足应用需求。
19.本发明的优点是：
20.1、本发明基于“核—电—光”转换探测思想，利用现代半导体器件技术对载流子输运和载流子复合发光过程的调控，实现核辐射至光转换探测过程的控制，有效解决传统闪烁体发光过程不受控的问题。
21.2、与传统闪烁体相比时间响应和发光效率两者不可兼得不同，本发明有望同时获得快响应和高发光效率，实现核辐射至光的快速、高效转换。
22.3、本发明基于现代的半导体器件技术，兼容量子阱、光子晶体等技术，实现发光波长、发光空间分布等调节，器件发光也更容易与镜头、光纤等光学系统耦合，便于提高系统
整体效率。
23.4、本发明器件结构并不局限于某种半导体材料，一代半导体材料si、ge，二代半导体材料inp、gaas，三代宽禁带半导体材料gan、sic，以及新型材料钙钛矿等均可用于器件制作。
24.5、本发明采用的是平板结构，器件工作时，射线作用产生的载流子在电场作用下主要在垂直于平板方向运动，因此射线作用的位置信息将在发光图像上得以保留，如能解决大面积器件制作问题，该器件可以作为核辐射成像屏使用。
附图说明
25.图1、pinp结构电光耦合核辐射探测器件示意图
26.图2、pinp结构电光耦合核辐射探测器件工作原理图
27.图3、pinp结构电光耦合核辐射探测器件能带结构图
28.附图标记如下：1-pin结构，2-led发光二极管，3-p或n型半导体材料，4-i型本征半导体材料，5-n或p型半导体材料，6-p或n型半导体材料，7-电极，8-电极。
具体实施方式
29.现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
30.本发明实施例的电光耦合核辐射探测器件，器件主体结构为平板结构，由pin结构1和led发光二极管2串联组成，两者共用一个n层或者p层。其特征在于，如共用n层，所述pin结构1由p型半导体材料3、本征半导体材料4和n型半导体材料5组成；所述led发光二极管2由n型半导体材料5和p型半导体材料6组成。多层不同类型的半导体材料堆叠组成pinp结构，器件表面分别制作电极7和电极8。
31.pin结构1和led发光二极管2串联，如共用n层，则为pinp结构；如共用p层，则器件改变为nipn结构。
32.led发光二极管2可以为简单pn结，也可以是多层量子阱发光结构；led发光面可以为大面积单片结构，也可以为多个小led发光面阵结构。
33.pin结构1工作在反偏状态，器件电场强度需要使本征半导体材料4全耗尽，本征半导体材料4厚度介于0.01mm至2mm。
34.电极7和p型半导体材料3厚度应小于1μm，以减少对射线离子探测的能量损失。
35.电极7和电极8至少有一个为透明电极，以保证led发光二极管2发光能够顺利的出射。
36.为使器件工作，需在器件两端电极加电，使pin结构1工作在反偏耗尽状态，led发光二极管2工作在正偏状态。以图1所示pinp型器件为例，电场方向需由led发光二极管2指向pin结构1，如图2所示。电场作用下，导带、价带在结区附近发生弯曲，费米面从左至右依次降低，如图3所示。该器件对射线响应发光过程为：α、γ等射线粒子作用下，α离子以及高能电子径迹附近的半导体材料被电离激发，产生电子空穴对，其中，在i层产生的电子空穴对在电场作用下向两端漂移，电子会由n区进入led，与p区的空穴复合发光，发光被外部光学系统探测和测量，实现射线探测。
37.射线照射下与器件i层之外的p层、n层等区域作用也会对发光信号有一定的贡献，
但由于厚度非常薄，通常在纳米尺度，射线作用沉积能量非常少，与i层沉积能量相比几乎可以忽略。射线入射面电极需尽可能的薄，以降低对射线的衰减。光出射面电极需采用透明电极以保证led结构发光能够出射。
38.对于nipn型器件，其对射线粒子的响应过程与pinp型器件基本一致，但器件外加电场方向需与pinp型器件相反，i层内部输运对发光起主要贡献的载流子为空穴。
39.本器件制作可以采用同质半导体材料，也可以采用异质半导体材料。对于同质结构，可以避免不同材料界面对载流子的影响，制备工艺一致性较好，但是材料要求相对较高，需要所采用的材料在pin探测器制备和发光led制备技术均比较成熟；对于异质结构，可以采用间接带隙与直接带隙材料组合，能够发挥不同材料的各自优点，在制作大尺寸实用器件上有潜在优势，其困难在于不同材料工艺融合相对困难，此外，异质结构存在界面损耗，如何克服和解决界面问题也需要特殊设计。
40.需要指出的是，虽然本发明技术原理相对简单，但是如何提高器件能量转换效率、提高器件时间响应速度，对于器件结构设计和制作工艺要求极高。此外，如想成功研制基于本发明的大面积成像屏，需要重点解决材料结晶质量问题。
41.本发明基于gan材料的原型器件已经制作成功。