基于石墨烯的空间辐射探测传感器设计与试验研究

安 恒，李得天*，文 轩，杨生胜，张永哲，王 鹢，张晨光，王 俊，曹 洲

（1.兰州空间技术物理研究所 真空技术与物理重点实验室，兰州 730000；2.北京工业大学，北京 100124）

0 引言

高分辨率辐射探测器能够在室温或室温附近分辨出窄能量峰，为材料科学、天体物理学、国土安全以及核取证等领域的辐射探测提供新的能力。研究表明，利用硅漂移型探测器可以实现能量分辨率的显著提升。目前还有一些潜在的可用于高分辨率辐射探测器的材料，如高密度高电荷数材料碘化汞（HgI2）、碲锌镉（CdZnTe）等。虽然这些材料具有很好的能量沉积能力，也可以实现大面积制备，但它们的电学特性和电荷收集性能会受到硅和锗单晶基底的影响。此外，这些宽禁带化合物半导体的掺杂、加工和集成电路技术远不如单质半导体的成熟与先进，因而限制了它们的进一步应用。几种辐射探测用半导体材料的电学特性参数如表1所列[1]。

表1 辐射探测用半导体材料的特性Tab.1 Characteristics of semiconductor materials for radiation detection

石墨烯是一种平面碳原子膜结构材料，具有独特的电学和力学特性，包括极高的机械强度、极高的双极性迁移率和高导热性[1]。石墨烯可以通过标准的微芯片制造工艺形成图案。由于石墨烯的固有电容几乎可以忽略，因此在开发室温高分辨率半导体辐射探测器方面具有特别的应用价值。将石墨烯应用到场效应晶体管结构中，有可能制备出具有很高分辨率的辐射敏感探测器。将石墨烯、基底吸收层和中子转换层相结合，可用于中子探测，且具有体积小，转换效率比塑料闪烁体高的优点，在未来空间中子、地面核爆、空间站中子辐射环境探测等方面具有广阔的应用前景[2-3]。基于石墨烯的能带结构和电场效应，主要针对石墨烯场效应管对电子和质子的辐照响应进行分析，为后续研制可用于空间电子和质子探测的小型化探测器提供指导。

1 石墨烯场效应晶体管的工作原理和探测方法分析

石墨烯是一种零带隙半导体材料，导带和价带重合在Dirac点。在Dirac点附近，利用色散关系，石墨烯晶体在k空间单位面积的状态数表示为：

式中：gs=2、gv=2分别为自旋简并度和能谷简并度；ℏ为普朗克常数；vF为费米速度；q为Dirac点附近的电子态的相对动量；E为能量；π为弧度。石墨烯在Dirac点附近的态密度为：

即石墨烯在Dirac点的态密度与能量呈线性关系，在E=0处，态密度为零。

在电场的作用下，Dirac-费米子可以从电子（或空穴）连续转变为空穴（或电子）。在距离Dirac点较远的地方，石墨烯中只有单一的载流子，其浓度和加载的电压成正比。由于电导率和载流子浓度成正比，因此石墨烯的电阻值受到电压的影响，即石墨烯的电场效应[4-6]，如图1所示。

图1 石墨烯的电场效应Fig.1 Electric field effect of graphene

图1（a）是石墨烯场效应晶体管的基本结构；（b）是在没有辐照情况下石墨烯电阻随电场强度的变化，图中绿色圈表示的是场效应晶体管的Dirac点的位置；（c）是石墨烯晶体管遭受了辐射，其基底部分发生电离；（d）是石墨烯场效应晶体管的Dirac点发生了偏移。

石墨烯辐射传感器包括3层：石墨烯敏感探测层、SiO2绝缘层和Si半导体吸收基底。其中，Si半导体吸收基底作为辐射探测的工作介质，吸收入射的射线并在基底内产生电子-空穴对；SiO2绝缘层在石墨烯探测层和Si半导体吸收基底之间形成绝缘，阻止辐射射线在基底内产生的电子直接被石墨烯接收。石墨烯敏感探测层主要用于感知辐射产生的电子所形成的电场。

射线入射到探测器Si半导体基底中，使其电离产生电子-空穴对，电子-空穴对数目与射线能量成正比。在石墨烯探测层和Si半导体吸收基底之间加载电压，使探测器内部形成一个合适的电场分布，引导电子（空穴）向石墨烯探测层漂移，并被SiO2绝缘层阻挡而最终汇集在石墨烯探测层下方。汇集电子（空穴）产生电场改变石墨烯探测层所处的电场强度，石墨烯载流子浓度被电场调控，使石墨烯的电阻值发生改变。通过测量石墨烯电阻值的变化量，可以推算出其电场强度的变化量，进而可以推算出入射射线所产生的电子-空穴对数目，结合后续电子学系统得到入射射线的注量[7-8]，即得到空间辐射探测结果，如图2所示。图中Is是源极电流，Vs是源极电压。常将栅极与源极之间的电压称为栅源电压，记为VGS。

图2 石墨烯场效应管辐射传感器结构Fig.2 Structure of graphene field effect transistor radiation sensor

从图2中可以看出，器件的几何结构类似于金属-氧化物-金属（MOS）结构。当电压通过背面欧姆接触的栅极施加到半导体上时，在半导体的石墨烯下方形成一个耗尽区；耗尽区中剩余的固定电荷会产生一个内部电场，将由能量粒子撞击产生的电子-空穴对分离；分离的电荷在绝缘体/半导体界面聚集，增强了施加于石墨烯上的横向电场。通过施加恒定的源漏电压，石墨烯电导率的变化可以被测量为漏源电流的变化。耗尽区域的深度决定了将被收集的电子-空穴对的数量，并与掺杂剂的密度以及背栅电压的大小有关。

2 仿真分析

采用蒙特卡洛方法（Monte Carlo Method）对高能电子的穿透路径以及能量沉积情况进行仿真，以获得入射射线在基底介质中的穿透深度及能量沉积[9]。以500 keV电子为例，说明射线与基底介质相互作用过程。图3所示为500 keV能量的电子在半导体硅材料中的运行轨迹模拟图。图中红色线表示发生背散射后逃逸离开的电子运动轨迹，蓝色线表示电子在Si片中的运动轨迹，500 keV电子的最大穿透深度能够达到680μm。在实际传感器制备过程中，可依据探测粒子的能量范围，设计Si吸收层的厚度。500 keV质子在Si中的穿透深度和电离能损如图4所示。

图3 500 keV电子在Si中的运行轨迹Fig.3 500 keV electron trajectory in Si

图4 500 keV质子的穿透深度和电离能损Fig.4 Penetration depth and ionization energy loss of 5 MeV proton

3 试验器件制备

用CVD法沉积的单层多晶石墨烯薄膜制备试验器件。为了探测空间辐射粒子，要求半导体探测敏感面积达到毫米量级，因此采用刻蚀技术将石墨烯薄膜刻蚀成阵列分布的微米大小的石墨烯单元[10-11]。

图5为石墨烯场效应晶体管器件样品（以下称样品），该样品经退火处理，以改善电极的接触特性[12]，使之尽量成为欧姆接触。图中1～6为电极。

图5 金丝引焊样品示意图Fig.5 Schematic diagram of gold wire lead welding sample

为了表征测试的需要，采用金丝引焊工艺将微器件的电极1和2引出，方便器件的封装互联。

4 试验结果及分析

4.1 试验及数据

选择4组样品，依次编号为1#、2#、3#和4#，进行质子和电子辐照试验，以验证样品的电学特性[13]。电子辐照试验参数如表2所列。样品制备完成并经拉曼测试之后，真空封装保存，待辐照时再取出。辐照完成后再次将样品真空封存，等待后期测试时拆封。

表2 电子辐照试验参数Tab.2 Electron irradiation test parameters

用半导体参数测试分析仪Keysight B1500A测得的2#样品在不同累积注量下电子辐照前后的输出特性变化曲线如图6所示，施加的漏源电压VDS=1.0 V，栅源电压VGS=0 V。为保证各个样品之间的电学特性具有可比性，对辐照前后的测试数据进行了归一化处理。

图6（a）为线性坐标下的输出特性曲线。可以看出，不同剂量电子辐照后，样品的输出特性（栅源电压VGS为定值时，漏极电流ID与漏源电压VDS的关系）大幅下降，表明电子辐照对样品的电学特性具有较大影响。为了对比不同辐照剂量对样品的影响程度，对线性坐标（Y轴）进行对数处理后得到图6（b）。从图可以看出，辐照后，样品的输出特性下降1～2个量级，但下降程度没有随电子辐照注量增大而显示出明显趋势。

图6 电子辐照前后样品的输出特性曲线Fig.6 Output characteristic curves of devices before and after electron irradiation

图7为样品辐照前后的转移特性（漏源电压VDS为定值时，漏极电流ID与栅源电压VGS的关系）曲线。测试时施加的栅压VGS=-50～50 V，漏源电压VDS=0.1 V。可以看出，电子辐照后样品的电流大幅下降。为对比 不同辐照剂量下的下降程度，进行了对数化处理。

从图7（b）看出，电子辐照后归一化电流随栅压的增加而下降的程度小于电子辐照前，表明样品的栅极调控石墨烯沟道载流子浓度的能力有所下降。

图7 电子辐照前后样品的转移特性曲线Fig.7 Transfer characteristic curves of samples before and after electron irradiation

对于质子辐照试验，同样设定40 keV的辐照能量，试验参数如表3所列。样品的保存方式与电子辐照样品相同。

表3 质子辐照试验参数Tab.3 Proton irradiation test parameters

图8为质子辐照前后样品的输出特性曲线，测试参数与电子辐照样品的输出特性测试参数相同。从图8（a）中可以看出，质子辐照对样品的输出特性影响是巨大的，导致了漏极电流的大幅下降；从图8（b）可以看出，随着辐照注量的增大，样品的漏极电流逐渐减小，表明质子辐照注量与样品电学特性的变化成正相关。

图8 质子辐照前后样品的输出特性曲线Fig.8 Output characteristic curves of samples before and after proton irradiation

图9为质子辐照前后样品的转移特性曲线。可以看出，随着质子辐照剂量的增加，漏极电流降低，表明质子辐照对石墨烯的破坏较大；此外，从转移特性曲线中还可以看出，质子辐照后，归一化的漏极电流随栅压增大的变化程度变小，表明样品的栅控能力下降，这与质子辐照增加了石墨烯的缺陷并一定程度破坏了SiO2介质层有关。

图9 质子辐照前后样品的转移特性曲线Fig.9 Transfer characteristic curves of samples before and after proton irradiation

4.2 结果分析

电子辐照前后样品的电流稳定性测试曲线（I-t曲线）如图10所示。测试时施加的漏源电压VDS=0.1 V，栅源电压VGS=0 V，测试时长t=60 s。从图中可以看出，辐照后样品的电流明显下降，电流稳定性稍变差，其中2#～4#稳定性下降较严重，但整体上辐照后样品性能较为稳定。

图10 电子辐照前后样品的I-t曲线Fig.10 I-t curves of samples before and after electron irradiation

提取漏源电压VDS=0.1 V和VDS=1.0 V时的漏极电流，再分别归一化后，得到了漏极电流随电子辐照注量的变化关系，如图11所示。从图中可以看出，电子辐照对石墨烯电学特性影响明显。随着辐照注量的增加，漏极电流呈现大幅下降后又上升的趋势。对比漏源电压VDS=0.1 V和VDS=1.0 V的漏极电流发现，VDS=0.1 V时的漏极电流受电子辐照影响程度大于VDS=0.1 V时的漏极电流，但二者的变化趋势相同。

图11 样品的归一化漏极电流随电子辐照注量的变化Fig.11 The normalized leakage current of samples varies with electron irradiation dose

质子辐照前后样品的漏极电流稳定性测试曲线如图12所示。测试参数与电子辐照的测试参数相同。可以看出，质子辐照后虽然漏极电流大幅下降，但电流的稳定性仍然较好，表明质子辐照不影响样品性能的稳定性。

图12 质子辐照前后样品的I-t曲线Fig.12 I-t curves of samples before and after proton irradiation

提取漏源电压VDS=0.1 V和VDS=1.0 V时的漏极电流，再分别归一化后，得到漏极电流随质子辐照注量的变化关系，如图13所示。可以看出，质子辐照对样品的影响同样较大，随着质子辐照注量的增加，归一化漏极电流逐渐下降。从图中可以分析出，漏极电流的下降与石墨烯的缺陷增多有关；对比漏源电压VDS=0.1 V和VDS=1.0 V的漏极电流，二者的下降趋势和下降程度基本相同。此外，对比电子辐照的影响和质子辐照的影响，可以看出质子辐照的影响比电子辐照稍大。

图13 样品的归一化漏极电流随质子辐照注量的变化Fig.13 The normalized leakage current of device samples varies with proton irradiation dose

5 结论

研究验证了石墨烯场效应管在收集辐射诱导电荷方面的应用。试验研究发现，在无防护的情况下，石墨烯器件样品的电学和光电性能衰减较小，具有较强的抗辐射能力。若后续对样品进行封装保护，样品的抗辐射特性将进一步增强，辐射的影响会更小。电子和质子辐照试验表明，样品的电子输运特性下降较大，因此在实际应用中，须对器件进行一定的封装等防护，以免样品遭受大剂量辐照后性能受到影响。