《碳化硅微結(jié)構(gòu)中子探測器探究動態(tài)綜述》3100字

碳化硅微結(jié)構(gòu)中子探測器研究動態(tài)綜述1.1碳化硅材料特點半導(dǎo)體材料到目前為止，經(jīng)歷了三次大的發(fā)展，第一代的代表材料有Si、Ge等；第二代的代表材料有GaAs、InP等；第三代的代表材料就是SiC等半導(dǎo)體材料，它的禁帶比較寬、臨界的擊穿電場比較高、晶體原子位移能比較大等特點。在SiC存在的多種同質(zhì)多型體中，4H-SiC工藝最成熟，更適合作為制作MSND的材料，在各個方面都具有很好的優(yōu)點,在科研以及商業(yè)領(lǐng)域都得到了使用較多。如圖1-1所示REF_Ref71384778\r\h[6]，是4H-SiC材料和其他半導(dǎo)體材料的一些參數(shù)的對比和應(yīng)用。從下圖可看出，SiC與Si相比禁帶寬度、臨界電場、電子飽和率都要優(yōu)于Si；而在于GaN材料相比，擊穿電場要高很多，工藝也更成熟，使得SiC器件在高溫、高功率環(huán)境下工作更有優(yōu)勢。圖1-1不同半導(dǎo)體材料參數(shù)對比與應(yīng)用REF_Ref71384778\r\h[6]如表1-1REF_Ref71384778\r\h[6]所示，4H-SiC具有很多優(yōu)點。熱穩(wěn)定性不錯，可以在高溫環(huán)境下進行中子監(jiān)測。禁帶寬度較寬，決定了很多特性，包括抗輻射特性、抗高溫特性、擊穿電壓等，可用于探測高溫中的中子探測?；瘜W(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，在表面加一層層來防止被氧化，六方結(jié)構(gòu)的4H-SiC化學(xué)性質(zhì)結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，化學(xué)性質(zhì)更穩(wěn)定。硬度高、耐磨性好。在壓敏、壓電方面也具有優(yōu)良性能。在電學(xué)特性方面，如下表所示，與摻雜的種類和濃度、方法、材料有關(guān)，4H-SiC在臨界擊穿電場、熱導(dǎo)性相較于其他材料都要優(yōu)秀許多。表1-1室溫300K幾種材料特性對比REF_Ref71384778\r\h[6].材料SiGe金剛石4H-SiCGaAs密度/2.335.333.5153.225.3禁帶寬度/eV1.120.675.53.271.424擊穿電場/0.30.173.00.4電離能/eV3.622.95137.784.3電阻率/1000501015-10181012107熱導(dǎo)率/1.480.599204.90.46熔點/K1410937.4400023801238熱膨脹系數(shù)/2.595.50.082.96.0莫氏硬度796.251.2碳化硅MSND國外研究動態(tài)1987年，R.A.Muninov與L.D.Tsvang就提出微結(jié)構(gòu)中子探測器的倡議，并創(chuàng)造性地指出，如果在半導(dǎo)體的襯底先蝕刻溝槽，在進行填充，在一定的轉(zhuǎn)換層物質(zhì)的填充下，可能會將半導(dǎo)體中子探測器的探測效率進一步提升，這一想法在后來其他人的研究中得到了證實，就此打開了MSND的研究篇章REF_Ref71379619\r\h[7]。2001年，D.S.McGregor等人成功實現(xiàn)了前人的假設(shè)，世界上第一個微結(jié)構(gòu)中子探測器就此誕生。他們使用的方法是用GaAs作為探測器的襯底，并蝕刻了多個尺寸大小不一的圓孔陣列，在填充完轉(zhuǎn)換物質(zhì)后，對微結(jié)構(gòu)中子探測器的探測效率進行了檢測，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，和傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的探測器相比，微結(jié)構(gòu)的引入的確將探測效率進行了提升REF_Ref71380013\r\h[8]。2009年，S.L.Bellinger等人創(chuàng)造性地制作出了正弦溝槽型MSND，用n型硅作為襯底，蝕刻出兩種不同參數(shù)的正弦溝道微結(jié)構(gòu)，并完成了對其探測效率的實驗，在同一年，J.K.Shultis等人對三種基本結(jié)構(gòu)的微結(jié)構(gòu)性能進行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，三種結(jié)構(gòu)各有優(yōu)缺點，溝槽型結(jié)構(gòu)不管是在探測效率方面，還是在穩(wěn)定性方面，性能都表現(xiàn)地最完美REF_Ref71380576\r\h[9]。2010年，C.MHenderson等人根據(jù)MSND的理論，成功研制出了中子個人劑量計，并利用核反應(yīng)堆，測試了其相關(guān)參數(shù)性能，結(jié)果表明，此裝置的中子計數(shù)等滿足實驗要求，但是這次研究也有一些不足，就是對于探測器的中子場能量類型研究不是特別深入。在同一年，C.J.Solimon等人就采用蒙特卡羅法，對正弦溝槽型微結(jié)構(gòu)探測器的探測性能以及中子的入射方向進行了模擬，并模擬出了最好的正弦溝槽尺寸REF_Ref71381336\r\h[10]。2013年，D.S.McGregor等人在制作垂直溝槽的MSND時，用到了KOH的濕法蝕刻技術(shù)，并且制作了兩種結(jié)構(gòu)的MSND，包括單層堆疊和雙層堆疊，隨后，又對制作好的探測器進行了相關(guān)參數(shù)的測試，單層MSND雙面堆疊結(jié)構(gòu)，不僅不會降低甄別率，還對MSND的探測效率有很大幅度的提升REF_Ref71381709\r\h[11]。2015年，R.G.Fronk等人制作出了和探測器在規(guī)格上差不多的探測系統(tǒng)，包含30多個微結(jié)構(gòu)中子探測器，對比和探測器探測性能之后，測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，兩種探測器的性能差別不大，基本相同REF_Ref71382073\r\h[12]。1.3碳化硅MSND國內(nèi)研究動態(tài)國內(nèi)中子探測器的研究相比于國外起步比較晚，而近年來，我國快中子脈沖堆建成以及對SiC材料、設(shè)備以及器件工藝技術(shù)的發(fā)展，基于碳化硅半導(dǎo)體中子探測器的研究和應(yīng)用也在多個領(lǐng)域展開。2012年，國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)胡青青，針對利用SiC半導(dǎo)體材料制作中子探測器的可行與否以及探測器的探測性能進行分析，對多個電學(xué)特性進行評估。使用MonteCarlo方法，研究了碳化硅MSND的輸運過程，結(jié)果顯示在中子的探測效率和響應(yīng)的靈敏度方面，小型SiC探測器所表現(xiàn)出來的特性都很優(yōu)秀，在加上聚乙烯轉(zhuǎn)換膜后靈敏度高出3.8倍，最后還給出了SiC中子探測器的制備方案，為同類型的探測器制備提供了很好的借鑒REF_Ref71382203\r\h[13]。2013年，中國工程物理研究所的吳健等人利用4H-SiC制備肖特基二極管，主要研究了電荷收集特性，并探討了影響因素。結(jié)果表明，4H-SiC的電荷收集特性和承受高溫和輻照性能良好，適合于制備新一代的半導(dǎo)體探測器，在一些較高溫以及輻照比較強等極端環(huán)境的應(yīng)用前景REF_Ref71382330\r\h[14]非常有潛力。2016年，山東大學(xué)盧忠花結(jié)合了二極管的優(yōu)點，設(shè)計了碳化硅JBS的結(jié)構(gòu)，研究了相關(guān)的電學(xué)特性。包括碳化硅JBS二極管的反向阻斷和正向?qū)C理，而且還研究了影響反向擊穿電壓的一些結(jié)構(gòu)因素REF_Ref71382545\r\h[15]。2017年，西安電子科技大學(xué)吳建魯利用4H-SiC為襯底材料，利用MonteCarlo法和TCAD軟件，研究MSND對熱中子探測能力、電流脈沖響應(yīng)能力以及電荷收集能力等方面進行了研究。通過對溝槽性、圓柱型、圓孔型三種不同的微結(jié)構(gòu)MSND在不同結(jié)構(gòu)影響下對熱中子的探測效率的模擬，發(fā)現(xiàn)溝槽性碳化硅MSND性能最好，得到了系統(tǒng)甄別閥是300KeV時，三種MSND的探測能力最好。并在最后總結(jié)了4H-SiC溝槽型MSND的制作工藝流程REF_Ref71382558\r\h[16]。2020年，國內(nèi)對于中子探測器的研究很多，中國科學(xué)院大學(xué)的唐彬利用蒙特卡羅法對4H-SiC中子探測器的相關(guān)物理過程和信息收集過程進行了設(shè)置，對不同中子源下的中子探測效率進行了仿真模擬REF_Ref71556768\r\h[17]，研究發(fā)現(xiàn)，源產(chǎn)生的γ射線在探測器里的能量沉積比較少，可以利用設(shè)置能量甄別閾方法進行γ和中子的甄別REF_Ref71554218\r\h[18]；陜西科技大學(xué)馬毅超以及其他研究機構(gòu)的研究者共同對大面積GEM中子探測器進行研究REF_Ref71797359\r\h[19]。參考文獻ChadwickJ.PossibleExistenceofaNeutron[J].Nature,1990,129(129):402-402.丁大釗,葉春堂,趙志祥.中子物理學(xué):原理、方法與應(yīng)用[M].原子能出版社,2001.甘雷.微結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體中子探測器技術(shù)研究[D].中國工程物理研究院,2015.萬波,熊幫平,黎剛,李昆,夏源.閃爍體光纖中子探測技術(shù)應(yīng)用研究[J].科技視界,2021(07):135-137.袁嬌.寬能譜多球中子譜儀的設(shè)計[D].北京：中國科學(xué)院大學(xué)，2014.郭立建.溝槽結(jié)構(gòu)4H-SiC肖特基二極管電學(xué)特性的研究[D].北京工業(yè)大學(xué),2016.MUMINOVRA，TSVANGLD.HighEfficiencySemiconductorThermalNeutronDetector[J].InstrumentsandExperimentalTechniques，1985，28(4)：782-784.MCGREGORDS，RAYMONDTK，HOLLYKG，etal.NewSurfaceMorphologyforLowStressThin-Film-CoatedThermalNeutronDetectors[J].IEEETransactionsonNuclearScience，2002，49(4)：1999-2004.ShultisJK,McgregorDS.Designandperformanceconsiderationsforperforatedsemiconductorthermal-neutrondetectors[J].NuclearInstruments&MethodsinPhysicsResearch,2009,606(3):608-636.SolomonCJ,ShultisJK,McgregorDS.Reducedefficiencyvariationinperforatedneutrondetectorswithsinusoidaltrenchdesign[J].NuclearInstruments&MethodsinPhysicsResearch,2010,618(1-3):260-265.MCGREGORDS，BELLINGERSL，SHULTISJK.Presentstatusofmicrostructuredsemiconductorneutrondetectors[J]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