一种基于沟槽结构的高性能金刚石辐射探测器件

本技术属于半导体材料器件应用领域，具体涉及一种金刚石单晶辐射探测器，特别涉及一种新型凹槽器件结构提高欧姆接触性能及载流子收集能力。

背景技术：

1、辐射探测技术在众多领域发挥着至关重要的作用，从外太空探索到日常保障人类健康和社会发展方面生活无不渗透着它的身影。然而，随着应用环境的日益复杂和苛刻，传统的硅基半导体探测器逐渐难以满足需求。例如，下一代核能技术开发需要的中子探测器需要兼具能谱响应范围宽、几何尺寸小、抗辐照性能好、适用温度高等性能。金刚石是一种新型的宽禁带半导体材料，具有禁带宽、耐高温、抗辐照、导热率高等优良特性。理论上金刚石材料开发的辐射探测器件具有超快的响应时间，适用于脉冲辐射场/强辐射场尤其极端环境下的强辐射场测量。可以在不低于300℃实现从热中子到14mev范围的中子有效探测，探测效率不低于千分之五。

2、然而，核辐射探测器对金刚石材料的结晶质量提出了严苛要求。通常，高温高压(hpht)单晶金刚石位错密度可降至102～104cm-2。但是其尺寸在15mm2以内而限制其广泛应用。化学气相沉积(cvd)同质外延单晶金刚石的位错密度与高温高压籽晶的位错密度密切相关，而cvd异质外延单晶金刚石的位错密度则达到106～107cm-2。同时，cvd生长过程中等离子体通常会在金刚石的晶格中引入氮、硅杂质形成点缺陷。位错将和聚集在附近的杂质原子一起在禁带中引入深能级并作为复合中心俘获载流子，显著降低载流子寿命。另一方面，为了实现辐照引起的载流子有效分离，需要与高质量金刚石形成良好的欧姆接触。目前主要采用氢终端形成二维空穴气沟道，从而与高功函数的金属接触。但是，现有的金属接触方案往往粘附性较差，且二维空穴气沟道热稳定性及恶劣环境中的可靠性面临挑战。在杂质抑制方面，前期利用氢气作为载气将无毒、廉价的过渡金属镍基溶液带入mpcvd腔体。常规生长条件获得的外延材料中可以观测到明显的氮、硅色心pl峰，而这些杂质相关的发光峰强度随着过渡金属溶液源流量增加时得到明显的抑制。基于该方案，外延材料中的硅、氮杂质可以降低至光谱检测极限(applied surface science,714,2025,164390)。但是在形成欧姆接触及提高载流子接收效率方面目前尚未获得明显新进展。

技术实现思路

1、本实用新型的主要目的在于利用一种新型器件结构解决背景技术中的难题，在高纯度金刚石外延材料表面利用激光切割横截面为不同形状的周期性沟槽(如三角形、矩形、半圆形等)。以三角形沟槽为例，一方面沟槽侧壁显露的晶面有利于硼原子掺杂入金刚石晶格，提高掺杂浓度并降低欧姆接触电阻。另一方面三角形沟槽结构会形成局部的高电场，促使辐照引起的载流子的迁移及收集。此外，上下两个面的三角形沟槽可以为对称结构也可以为非对称结构，可以根据需要对空间的电场/载流子分布进行有效调控。

2、本实用新型采用的技术方案如下：

3、一种基于沟槽结构的高性能金刚石辐射探测器件，结构包括图形化金刚石外延层3，从图形化金刚石外延层3上下表面向外依次有低电阻硼掺杂金刚石层4和接触电极5；所述的图形化金刚石外延层3的上下表面为周期性沟槽结构，所述周期性沟槽结构的横截面为三角形、矩形或半圆形。

4、作为优选，所述的图形化金刚石外延层3的厚度为1nm～1mm。

5、作为优选，低电阻硼掺杂金刚石外延层4的厚度为1nm～1mm，掺杂空穴浓度为1014～1021cm-3。

6、作为优选，所述的欧姆接触电极5的厚度为1nm～1mm，可以为金，钛、铝、铬等单层或者多层金属复合结构。

7、本实用新型的积极效果在于：

8、首先，结合多次使用沟槽结构辅助横向外延生长及过渡金属原位抑制杂质两种技术实现低位错密度、低杂质浓度的高纯度金刚石外延材料。进而，在高纯度金刚石外延材料表面利用激光切割横截面为三角形的周期性沟槽。一方面沟槽侧壁显露的晶面有利于硼原子掺杂入金刚石晶格，提高掺杂浓度并降低欧姆接触电阻。另一方面三角形沟槽结构会形成局部的高电场，促使辐照引起的载流子的迁移及收集(如图6所示)。此外，上下两个面的三角形沟槽可以为对称结构也可以为非对称结构，可以根据需要对空间的电场/载流子分布进行有效调控。

1.一种基于沟槽结构的高性能金刚石辐射探测器件，结构包括图形化金刚石外延层（3），从图形化金刚石外延层（3）上下表面向外依次有低电阻硼掺杂金刚石层（4）和接触电极（5）；其特征在于，所述的图形化金刚石外延层（3）的上下表面为周期性沟槽结构，所述周期性沟槽结构的横截面为三角形、矩形或半圆形。

2.根据权利要求1所述的一种基于沟槽结构的高性能金刚石辐射探测器件，其特征在于，所述的图形化金刚石外延层（3）的厚度为1 nm~1mm。

3.根据权利要求1所述的一种基于沟槽结构的高性能金刚石辐射探测器件，其特征在于，低电阻硼掺杂金刚石层（4）的厚度为1 nm~1mm。

4.根据权利要求1所述的一种基于沟槽结构的高性能金刚石辐射探测器件，其特征在于，所述的接触电极（5）的厚度为1nm~1mm，是单层金属结构或者多层金属复合结构。