碳化硅探测器的最大线性电流研究

2022-10-29刘林月欧阳晓平张显鹏阮金陆

原子能科学技术 2022年10期

刘林月，欧阳晓平，张显鹏，阮金陆

(强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室，西北核技术研究所，陕西西安 710024)

半导体探测器是实现核反应过程释放的中子、带电粒子、伽马射线等探测的核心探测器件，相比于闪烁探测器，其具有尺寸小、能量分辨率高等诸多优势。传统的硅探测器和高纯锗探测器在辐射探测和核反应过程研究中发挥了极其重要的作用，但由于硅探测器存在抗辐照性能不理想、锗探测器需要工作在低温环境等问题，严重制约了半导体探测器的应用和辐射探测技术的发展。为此，发展具有强抗辐照性能的室温半导体探测器是辐射探测领域的核心问题之一。碳化硅(SiC)探测器是近年来新兴的一种重要的电流型半导体探测器，美国[1-5]、德国[6]、英国[7]、俄罗斯[8-9]、斯洛伐克[10]、意大利[11-13]、韩国[14]及中国[15-25]等围绕其开展了大量的器件研制、性能表征和辐射应用研究，其已成为国内外核探测领域研究的热点和前沿。近年来国内选择外延式SiC材料，成功突破了高电荷收集效率(近100%)的厘米级探测器制作难题，并成功将其应用于中子、带电粒子和X射线等辐射探测中[26-28]。目前，基于4H型外延式SiC材料的SiC中子探测器，可实现比传统硅探测器高2～5个量级的快中子、α粒子抗辐照性能，低1个量级的本底伽马响应灵敏度(灵敏区厚度仅为硅的十分之一)，已成为强流脉冲混合辐射场中实现高信噪比中子探测的理想选择之一[29-34]。

SiC探测器的最大线性电流是其在强流脉冲辐射场探测应用中必须准确获得的核心参数，决定了探测器的输出上限和探测系统的线性范围及可探测动态范围，其准确获取对电流型半导体探测器件和探测系统设计极其重要，但目前国际上未见针对电流型SiC探测器的最大线性电流系统研究的公开报道[29,35-36]。本文通过理论与实验的方式系统开展电流型SiC探测器的最大线性电流研究，研究结果对SiC探测器和探测系统设计、在强流脉冲辐射探测领域的应用、发展新的辐射探测技术都具有重要的意义。

1 线性电流理论计算方法

半导体探测器的最大线性电流受探测器结构、工作状态、材料特性等多种因素的影响。垂直电极结构的SiC探测器在脉冲辐射探测工作状态下的最大线性电流计算，需要同时考虑最大输出功率密度、最大线性电流密度不等式和脉冲探测系统的限制因素。图1为垂直电极结构SiC探测器的结构示意图。

图1 SiC探测器结构示意图Fig.1 Schematic structure of SiC detector

1) SiC探测器的最大输出功率密度限制

由于受到器件散热能力和界面耐高温性能的限制，SiC器件在稳态工作模式下可稳定输出的最大功率约为300 W/cm2，在脉冲辐射探测工作状态下的最大输出功率会高几倍，可高达1 000～3 000 W/cm2[32]。因此，SiC结型探测器可输出的最大线性电流密度j1为：

j1=P/V

(1)

其中：P为SiC探测器的最大输出功率密度，在脉冲辐射探测中最高约3 000 W/cm2；V为工作偏压，V。

2) 结型SiC探测器最大线性电流密度不等式限制

当只考虑探测器耗尽区电场强度和辐射在耗尽区内产生空间电荷的影响，假设载流子迁移率为常数、探测器全耗尽(耗尽区宽度不变)、器件最大输出低于系统偏压时，可推导出探测器的线性电流密度J不等式[35,37]为：

(2)

其中：R为系统等效阻抗，为50 Ω；A为探测器灵敏面积，cm2；ε为SiC材料的相对介电常数，对4H-SiC是9.7，硅材料是11.8；ε0为真空介电常数，为8.85×10-12F/m；D为耗尽区宽度，cm；V为探测器工作偏压，V；μ为材料迁移率，对贯穿辐射选μh约50 cm2/(V·s)，对非贯穿辐射μe约900 cm2/(V·s)[28,33]。

对SiC探测器，可推知式(2)对应的最大线性电流密度j2为：

j2=J(F(J)=0.75)

(3)

3) 脉冲探测系统限制

在脉冲辐射探测工作状态下，SiC探测器工作时的外加偏压V会限制探测器的最大线性电流输出，对应的最大线性电流输出密度j3[27]为：

(4)

综上可知，SiC探测器的理论最大线性电流密度j应取j1、j2和j3的最小值：

j=min(j1,j2,j3)

(5)

SiC探测器的最大线性电流I为：

I=Aj

(6)

2 最大线性电流影响因素

垂直结构SiC探测器的最大线性电流与辐射类型、探测器灵敏区面积、耗尽区电场强度、探测器的灵敏区厚度(耗尽区宽度)等因素有关。

2.1 辐射类型

贯穿辐射，一般指X/γ射线、高能带电粒子，会在半导体探测器整个灵敏区内沉积能量、均匀地激发出电子空穴对。非贯穿辐射，指紫外光、低能X射线、低能带电粒子等，一般在探测器入射表面附近沉积所有能量、激发电子空穴对。贯穿辐射和非贯穿辐射都可用于半导体探测器的最大线性电流研究。对于图1所示的垂直结构的SiC探测器，当选择非贯穿辐射时，响应信号主要来源于辐射激发出的电子在空间电荷区的漂移，因此根据式(2)计算F(J)时，μ选择电子迁移率，约900 cm2/(V·s)。对于贯穿辐射，μ选择空穴迁移率，约50 cm2/(V·s)。根据式(2)计算了贯穿辐射和非贯穿辐射下，灵敏区尺寸1 cm2×30 μm的SiC探测器在工作电压为600 V时的F(J)(图2)，计算结果差异很小(1%以内)。考虑到该计算条件下j2主要决定探测器的最大线性电流密度，因此SiC探测器对贯穿辐射和非贯穿辐射的最大线性电流差异很小。

2.2 探测器灵敏区面积

研究了探测器灵敏区面积对F(J)和最大线性电流的影响。根据式(2)和式(6)计算了不同灵敏区面积的SiC探测器在贯穿辐射下的最大线性电流，计算时选择探测器灵敏区厚度30 μm、工作电压600 V，计算的F(J)和最大线性电流分别如图3a、b所示。结果表明，探测器的最大线性电流会随着探测器面积的增大而增加，但在灵敏面积达2 cm2以上时，会逐渐趋于饱和，600 V时SiC探测器的理论最大线性电流约为6 A。

图2 贯穿和非贯穿辐射的F(J)Fig.2 F(J) of penetrating and nonpenetrating radiation

2.3 电场强度

根据式(2)、(6)计算了探测器灵敏区尺寸为1 cm2×30 μm、贯穿辐射时，不同耗尽区电场强度下SiC探测器的F(J)和最大线性电流，计算结果如图4所示。计算结果表明，探测器的最大线性电流随探测器耗尽区电场强度的增大而增加，当电场强度达2.0×105V/cm以上时，最大线性电流会逐渐趋于饱和，对于灵敏区尺寸为1 cm2×30 μm的SiC探测器最大线性电流饱和值约为5 A。

2.4 探测器灵敏区厚度

根据式(2)、(6)计算了探测器灵敏区面积1 cm2、工作电压600 V、贯穿辐射时，不同灵敏区厚度SiC探测器的F(J)和最大线性电流，计算结果如图5所示。计算结果表明，探测器的最大线性电流随探测器厚度的增大而减小，在灵敏区厚度小于100 μm时探测器最大线性电流不低于4.5 A，探测器灵敏区厚度增大至300 μm时最大线性电流低至0.73 A。值得注意的是，在上述计算条件下，增加探测器灵敏区厚度的同时会减小探测器的等效电容、减小耗尽区电场强度，图5的计算结果是灵敏区厚度、等效电容和耗尽区电场强度综合作用的结果。

a——F(J)；b——最大线性电流图3 灵敏区面积对SiC探测器线性电流的影响Fig.3 Influence of sensitive area on linear current of SiC detector

a——F(J)；b——最大线性电流图4 耗尽区电场强度对SiC探测器线性电流的影响Fig.4 Influence of electric field intensity in depletion region on linear current of SiC detector

a——F(J)；b——最大线性电流图5 灵敏区厚度对SiC探测器线性电流的影响Fig.5 Influence of thickness on linear current of SiC detector

图6 SiC探测器最大线性电流随电场强度和电容的变化Fig.6 Variation of SiC detector’s maximum linear current with electric field intensity and capacitance

对灵敏区尺寸1 cm2×30 μm的SiC探测器在不同工作偏压下的最大线性电流进行了计算，计算时增加偏压只会增加探测器耗尽区的电场强度；同时计算了灵敏区面积1 cm2、工作电压600 V时，不同灵敏区厚度下的最大线性电流，减小探测器灵敏区厚度会同时增加耗尽区电场强度、探测器等效电容，结果如图6所示。对比图6中的两组计算结果可知：在耗尽区电场强度较大时，增加探测器偏压和减小探测器灵敏区厚度都会导致最大线性电流趋于饱和(饱和最大线性电流约5 A)；低电场强度下，只增加电场强度时探测器最大线性电流的增长速度低于减小探测器灵敏区厚度(即电场强度和电容同时增加)时的情况，故探测器等效电容的增加在一定范围内会导致探测器最大线性电流的增大。

3 最大线性电流实验研究

图7 SiC探测器最大线性电流实验系统布局Fig.7 Design of SiC detector maximum linear current experiment system

半导体探测器的最大线性电流可通过探测器对强脉冲辐射源的响应实验来获得，实验系统布局如图7所示。实验时同时测量两枚同尺寸探测器的脉冲响应，通过调节入射的辐射剂量来获得前端探测器有畸变的饱和波形、后端探测器无畸变的未饱和波形。通过绘制前端和后端探测器响应波形上升时间的李萨茹曲线，判读曲线偏离线性位置来获得探测器的最大线性电流。

SiC探测器的最大线性电流实验分别在西北核技术研究所的强光一号加速器(脉冲半高宽25 ns、X射线平均能量几MeV)、晨光一号加速器(脉冲半高宽20～25 ns、X射线平均能量0.33 MeV)和皮秒紫外激光源(脉冲宽度30 ps，波长355 nm，能量20 mJ)上完成。加速器提供的X射线对于SiC探测器属于全贯穿型射线；激光器提供的紫外光源为非全贯穿辐射。实验时探测器安装在铜质电磁屏蔽壳体中，选用带宽1 GHz的示波器记录响应信号，选用高压电源给探测器供电，各部件均用50 Ω阻抗的同轴电缆连接。表1为SiC探测器在实验中获得的最大线性电流。1 cm2×30 μm的SiC探测器在300 V和400 V时的最大线性电流分别为3.25 A和3.50 A，4 cm2×30 μm的SiC探测器在300 V和400 V时分别为3.53 A和4.40 A，增大探测器灵敏区面积或增大探测器耗尽区电场强度都会使SiC探测器的最大线性电流增加，这与前述计算结果一致。

图8a为在晨光一号加速器上获得的灵敏区尺寸为4 cm2×30 μm的SiC探测器的响应波形，饱和波形的半高宽会略大于未饱和波形，图8b为对应的李萨茹图，可看出，在工作电压400 V时SiC探测器的最大线性电流约为4.40 A。图9为多枚SiC探测器在晨光一号加速器上的最大线性电流实验结果，在300 V偏压下，灵敏区尺寸为4 cm2×30 μm和1 cm2×30 μm探测器的最大线性电流分别为(3.53±0.11) A和(3.25±0.17) A。

在F(J)取0.75时，根据式(2)、(6)计算了不同规格SiC探测器的F(J)和最大线性电流，结果分别如图10和表1所示。当F(J)取0.75时不同规格SiC探测器最大线性电流的计算结果与前述实验结果的最大相对偏差约23%，故本文所述计算方法可有效估算不同规格SiC探测器的最大线性电流，为电流型探测器设计提供有力参考。

表1 不同规格SiC探测器在贯穿和非贯穿辐射下的实验和理论最大线性电流Table 1 Experimental and theoretical maximum linear current of different SiC detectors under penetrating and non-penetrating radiation

a——响应波形；b——李萨茹图图8 最大线性电流实验波形Fig.8 Response waveforms of maximum linear current experiments

灵敏区尺寸：a——4 cm2×30 μm；b——1 cm2×30 μm图9 300 V偏压下不同尺寸SiC探测器的最大线性电流实验结果Fig.9 Experimental maximum linear current of SiC detector at reverse bias of 300 V for different detector dimensions

图10 SiC探测器最大线性电流计算结果Fig.10 Theoretical maximum linear current of SiC detector

对常用规格的SiC探测器和硅探测器的线性电流进行了对比分析，结果如图11所示。SiC探测器和硅探测器的灵敏区尺寸分别为4 cm2×30 μm和3.14 cm2×300 μm，F(J)取值分别为0.75和0.8[35,37]，硅探测器线性电流的实验值来自参考文献[37]，两种常用规格探测器最大线性电流的计算结果与实验结果相对偏差小于10%。

4 结论

本文研究了电流型SiC探测器的最大线性电流特性，给出了SiC探测器最大线性电流的理论计算方法，分析了辐射类型、灵敏区面积、耗尽区电场强度、灵敏区厚度对最大线性电流的影响。实验研究了SiC探测器的最大线性电流，目前灵敏区尺寸4 cm2×30 μm的SiC探测器在400 V时的最大线性电流约为4.40 A；增大探测器灵敏区面积或增大探测器耗尽区电场强度都会增加SiC探测器的最大线性电流，该趋势与理论计算结果一致。本文所述SiC探测器最大线性电流计算方法可实现最大线性电流的有效估算、计算结果与实验结果最大相对偏差约23%。本文研究结果可为电流型SiC探测器结构设计、强流脉冲辐射探测系统设计和应用提供参考。