電流型碳化硅探測器

歐陽曉平，劉林月

(西北核技術(shù)研究院 強(qiáng)脈沖輻射環(huán)境模擬與效應(yīng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710024)

1949年美國貝爾實(shí)驗(yàn)室首先提出利用半導(dǎo)體來探測射線，并利用鍺半導(dǎo)體點(diǎn)接觸二極管成功探測到α粒子，此后，半導(dǎo)體輻射探測器開始在射線探測中發(fā)揮重要作用。常規(guī)的半導(dǎo)體探測器一般工作在計數(shù)模式下，可對少量粒子產(chǎn)生響應(yīng)電信號，是測量核能譜、帶電粒子能量和徑跡等的理想選擇。而當(dāng)射線強(qiáng)度很高時，在當(dāng)前的信號獲取和處理能力下難以用傳統(tǒng)的計數(shù)方法對每個粒子的行為特征進(jìn)行探測和研究，半導(dǎo)體探測器則必須工作在電流型模式下，以便獲取射線或粒子的群行為特征。電流型半導(dǎo)體探測器對核科學(xué)實(shí)驗(yàn)、激光慣性約束聚變、脈沖反應(yīng)堆等強(qiáng)脈沖射線束的測量至關(guān)重要。

在20世紀(jì)60年代，美國洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室和勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室最早研制了電流型硅探測器，包含PIN型和金硅面壘型兩種結(jié)構(gòu)，并將其成功用于中子、γ射線和X射線參數(shù)測量[1-5]。在20世紀(jì)七八十年代，北京綜合儀器廠和中國原子能科學(xué)研究院均曾研制成功電流型金硅面壘型和PIN型硅探測器[6-8]，西北核技術(shù)研究院研制了φ90 mm的電流型硅探測器[9-10]。電流型硅探測器在強(qiáng)流射線探測中一直發(fā)揮著重要作用，但在實(shí)際應(yīng)用中存在諸多問題：受制于硅材料抗電擊穿性能不理想，大面積電流型硅探測器較厚，在混合場中子探測中受本底干擾強(qiáng)；硅探測器抗輻照性能不理想，對α粒子、裂變碎片和快中子的抗輻照上限分別為109、108和1012cm-2，難以在強(qiáng)放射性環(huán)境中長期工作；硅材料的耐高溫性能不理想，對使用環(huán)境要求嚴(yán)格。

為此，隨著半導(dǎo)體材料的發(fā)展和探測器制作工藝的進(jìn)步，人們相繼研究了多種新型電流型半導(dǎo)體探測器，如碲化鎘[11]、砷化鎵[12-13]、碲鋅鎘(CZT)[14-22]等多種化合物半導(dǎo)體探測器[23-24]和氮化鎵(GaN)[25-35]、碳化硅(SiC)[36-48]、氧化鋅(ZnO)[49]、金剛石[51-75]等多種寬禁帶半導(dǎo)體探測器。化合物半導(dǎo)體探測器在X射線和γ射線探測及成像中優(yōu)勢明顯：在帶電粒子和中子探測中，基于高質(zhì)量外延材料的SiC探測器發(fā)展較為成熟，普通金剛石和GaN、SiC、CZT、ZnO高阻襯底制作的探測器電荷收集效率低、器件性能不穩(wěn)定，無法用于輻射絕對測量；少數(shù)高質(zhì)量單晶金剛石探測器可獲得高電荷收集效率，但面積太小(<0.25 cm2)、價格昂貴、難以大量獲得，且在強(qiáng)輻射場測量中的極化效應(yīng)問題至今無法解決；外延式高質(zhì)量GaN材料不適合制作所需探測器，其外延厚度太薄(遠(yuǎn)低于α粒子和裂變碎片射程)、外延層缺陷密度高(位錯密度104cm-2)且背景摻雜濃度難以控制；而高質(zhì)量SiC單晶外延生長技術(shù)水平基本達(dá)到了研制大面積高性能探測器的要求，利用高質(zhì)量SiC外延材料制作的電流型探測器有望同時獲得低漏電流、大線性電流和高電荷收集效率。本文重點(diǎn)介紹電流型SiC探測器的設(shè)計制作、響應(yīng)性能研究、抗輻照性能研究等內(nèi)容，為電流型半導(dǎo)體探測器的研究和應(yīng)用提供參考。

1 電流型半導(dǎo)體探測器結(jié)構(gòu)和物理特性

1.1 探測器結(jié)構(gòu)

強(qiáng)流輻射探測所用的電流型探測器通常為垂直結(jié)構(gòu)器件，常見的電流型半導(dǎo)體探測器分3種結(jié)構(gòu)：金屬-半導(dǎo)體-金屬(MSM)型、肖特基面壘型和PIN型(圖1)。對于金剛石等高阻塊狀半導(dǎo)體材料，其電阻率較高且結(jié)器件工藝復(fù)雜，故通常選擇MSM結(jié)構(gòu)；對于本征摻雜濃度較低、缺陷少的高質(zhì)量半導(dǎo)體外延材料，通常選擇后兩種結(jié)構(gòu)。目前SiC等探測器，選擇肖特基面壘型和PIN型結(jié)構(gòu)；GaN等由于P型摻雜不易實(shí)現(xiàn)，故通常選擇肖特基面壘型結(jié)構(gòu)。

圖1 3種常見的電流型半導(dǎo)體探測器結(jié)構(gòu)Fig.1 Three kinds of common current mode semiconductor detector structures

1.2 結(jié)型半導(dǎo)體探測器的重要物理參數(shù)

1) 反偏耐壓性能

探測器工作在電流型模式下時，通常需保持在較高的反向偏置電壓下。最大理論輸出電流值、最大線性輸出范圍均與反向偏壓正相關(guān)，同時，探測器的耗盡區(qū)厚度、電荷收集時間等關(guān)鍵參數(shù)也與施加的偏壓有關(guān)。硅探測器可耐受的最大電場強(qiáng)度約為4×104～105V/cm，即相當(dāng)于把1 000 V加到厚度約為250～100 μm的耗盡區(qū)上，一般硅PIN探測器在50～100 V可實(shí)現(xiàn)全耗盡，故最大反偏耐壓為探測器耗盡偏壓的10～20倍。

2) 耗盡區(qū)

半導(dǎo)體探測器的耗盡區(qū)是探測器的靈敏區(qū)。耗盡區(qū)厚度D與材料的電阻率ρ和偏壓V相關(guān)，即：

D=K(ρV)1/2

(1)

其中，K為常數(shù)，對P型和N型硅分別為0.32和0.53。當(dāng)探測器完全耗盡后，繼續(xù)增加偏壓會在探測器耗盡區(qū)建立連續(xù)電場。對硅PIN探測器，其典型耗盡區(qū)厚度約為100～500 μm。

3) 等效電容

等效電容是探測器的重要參數(shù)之一，主要與探測器的噪聲和輸出脈沖的幅度及上升時間有關(guān)。在確定入射粒子的絕對能量時必須測定探測器的電容。另外，為了計算探測器最佳能量分辨也需知道探測器的電容。

Cd=εε0A/D

(2)

其中：Cd為等效電容；A為探測器面積，cm2；ε為Si的相對介電常數(shù)，ε=11.7；ε0為真空介電常數(shù)，ε0=8.85×10-12F/m。

4) 死層

半導(dǎo)體探測器均存在死層，這是由擴(kuò)散工藝、電極工藝、介質(zhì)鈍化工藝等引入的，該區(qū)域不存在電場分布，對探測信號無貢獻(xiàn)，同時會對重帶電粒子和低能光子等穿透能力較差的輻射有明顯衰減。故在探測器制作時應(yīng)設(shè)法減小死層厚度，對硅PIN探測器，死層厚度可達(dá)1 μm甚至更低。

5) 載流子漂移速度和漂移長度

載流子在外電場作用下做漂移運(yùn)動，電子、空穴的漂移速度Ve和Vh與電場E有關(guān)：

Ve=μeE

Vh=μhE

(3)

其中，μe和μh分別為電子和空穴的遷移率，表示單位電場強(qiáng)度作用下載流子的平均漂移速度，其與溫度、電場強(qiáng)度、雜質(zhì)濃度有關(guān)。

漂移長度L表示非平衡載流子在平均壽命τ內(nèi)的漂移距離，則：

L=μτE

(4)

其中，μ為載流子遷移率。

漂移長度L必須大于探測器的靈敏區(qū)厚度才能保證由射線產(chǎn)生的非平衡載流子盡可能多地被收集，不致于復(fù)合或俘獲而損失掉。一般情況下，收集非平衡載流子的時間約為10-7～10-8s。

6) 最大線性電流

探測器的最大線性電流是決定其是否能用于強(qiáng)流脈沖中子探測的關(guān)鍵參數(shù)。根據(jù)Lucovsky[76]提出的輻射激發(fā)的載流子在探測器中形成的空間電荷產(chǎn)生的電場應(yīng)遠(yuǎn)小于外加電場的理論，可推導(dǎo)出完全貫穿輻射的線性電流不等式，估算出半導(dǎo)體探測器的線性電流。

(5)

7) 電荷收集效率

電荷收集效率描述了輻射激發(fā)出的載流子在半導(dǎo)體探測器中被收集的情況，是半導(dǎo)體探測器的重要響應(yīng)參數(shù)之一，通常是外電路收集到的電荷信號與輻射在探測器中激發(fā)出的載流子電荷量之比。對材料缺陷較多、難以用于絕對測量的電流型探測器，可將利用電流型探測器得到的實(shí)驗(yàn)靈敏度S(E)與蒙特卡羅模擬獲得的理論靈敏度SMC(E)相比得到電荷收集效率CCE，則：

CCE=S(E)/SMC(E)

(6)

對于器件性能較好、能用于絕對測量的半導(dǎo)體探測器，可通過計數(shù)型方式獲得完整的帶電粒子響應(yīng)譜。在實(shí)驗(yàn)中常通過測量α粒子響應(yīng)譜來刻度探測器的電荷收集效率。實(shí)驗(yàn)時，可選擇一枚標(biāo)準(zhǔn)硅探測器來做標(biāo)準(zhǔn)探測器測量α粒子響應(yīng)譜，硅探測器的電荷收集效率一般可達(dá)到100%，利用傳統(tǒng)硅刻度信號記錄系統(tǒng)，然后在同一系統(tǒng)上完成待測探測器的α粒子響應(yīng)譜測試，通過對比硅探測器和待測探測器的α粒子響應(yīng)峰的峰位獲得電荷收集效率：

(7)

其中：ESi、ESiC為α粒子在硅和碳化硅探測器靈敏區(qū)內(nèi)沉積的能量；ωSi、ωSiC分別為標(biāo)準(zhǔn)硅探測器和待測碳化硅探測器產(chǎn)生1對電子-空穴對平均所需的能量，分別為3.6 eV和7.8 eV；CNSi、CNSiC分別為標(biāo)準(zhǔn)硅探測器和待測碳化硅探測器測得的帶電粒子響應(yīng)峰的道數(shù)。

8) 時間響應(yīng)

半導(dǎo)體探測器的時間響應(yīng)，指在一個δ函數(shù)輻射脈沖激勵下輸出的脈沖電流波形，與半導(dǎo)體探測器的介電常數(shù)、載流子遷移率、電場強(qiáng)度及分布、探測器尺寸、耗盡區(qū)寬度、輻射類型等均有關(guān)。對于完全貫穿型輻射，如γ射線、高能電子和高能質(zhì)子等，輻射能在探測器耗盡區(qū)內(nèi)均勻產(chǎn)生電子-空穴對，同時由于電離密度不大，不考慮等離子體時間效應(yīng)。Dickinson等[77]給出了此類輻射的時間響應(yīng)計算公式。當(dāng)探測器工作在電流型模式下時，耗盡區(qū)的電場強(qiáng)度較高，應(yīng)在計算時考慮載流子遷移率隨電場的變化。Dickinson的計算模型假定載流子全部被收集，未考慮載流子的俘獲，即：

當(dāng)0≤t≤te時：

(8)

當(dāng)te

i(t)=μe(a(1-e-te/RC)-1)e-(t-te)/RC+

(9)

當(dāng)t>th時：

i(t)=μe(a(1-e-te/RC)-1)e-(t-te)/RC+

μh(b(1-e-th/RC)-1)e-(t-th)/RC

(10)

其中：a=1+RC/te；b=1+RC/th；te為電子收集時間，s；th為空穴收集時間，s；μe、μh分別為電子、空穴遷移率，cm2·V-1·s-1；i(t)為探測器輸出電流，A；R為負(fù)載電阻，脈沖測量電路等效阻抗為50 Ω。

對于穿透能力較差的重帶電粒子，其射程很短，僅在探測器很薄的靈敏區(qū)內(nèi)激發(fā)出電子-空穴對，同時在其徑跡上電離密度很強(qiáng)，計算時必須考慮等離子體時間效應(yīng)。對該類輻射的時間響應(yīng)特性計算，可參考黃豹[78]提出的計算模型。半導(dǎo)體探測器的時間響應(yīng)性能可通過估算探測系統(tǒng)的RC時間常數(shù)來大致估算。對于脈沖時間測量系統(tǒng)來說，電路等效阻抗為50 Ω，探測器的等效電容決定了其時間性能。

2 電流型碳化硅探測器制作技術(shù)

1) 碳化硅材料特性

SiC材料具有立方型(C)、六方型(H)和菱面六方形(R)3類晶型，170多種同素異構(gòu)體。其中3C-SiC、4H-SiC、6H-SiC制作工藝比較成熟。隨著高質(zhì)量單晶材料制備技術(shù)的突破，6H-SiC和4H-SiC均被用于輻射探測器制作。表1列出了SiC與常見半導(dǎo)體材料的物理性能[79-85]。

表1 SiC與其他半導(dǎo)體材料的性能比較[79-85]Table 1 Performance comparison of SiC and other semiconductor materials[79-85]

與硅和鍺等常規(guī)半導(dǎo)體材料相比，4H-SiC具有禁帶寬度大、晶體原子離位能大、電子空穴遷移率高等優(yōu)勢。與GaAs、GaN相比，在高場強(qiáng)下，4H-SiC的電子漂移速度大，頻率響應(yīng)較好。與寬禁帶材料金剛石、氮化鎵相比，4H-SiC低摻雜外延材料生長技術(shù)較成熟，利用化學(xué)氣相沉積法可制作大面積、一致性好、最大厚度達(dá)百μm的外延材料。

自蘇聯(lián)1973年研制了基于6H-SiC的二極管，人們開始了碳化硅探測器的研究。美國[86-90]、德國[91]、英國[92]、俄羅斯[93-94]、斯洛伐克[48]、意大利[38，95-96]、韓國[97]及中國[47,98-116]等均開展了相關(guān)研究，最有代表性的是美國Ruddy等[86-90,117-131]成功研制了小面積測譜用的計數(shù)型探測器——4H-SiC二極管探測器。國內(nèi)中國工程物理研究院[99-102,105]、西安電子科技大學(xué)[103-104]和中國科學(xué)院高能物理研究所[132-133]等分別利用4H-SiC探測器研制了中子譜儀、紫外光探測器和γ射線探測器。2017年前國內(nèi)外研制的SiC測譜型探測器最大靈敏面積為單片0.28 cm2[119]、拼接后0.81 cm2[47]，最優(yōu)能量分辨率達(dá)0.3%[40,90]。西北核技術(shù)研究院針對強(qiáng)流輻射探測需求，于2017年成功研制了單片靈敏面積達(dá)1 cm2、拼接后靈敏面積4 cm2的肖特基型SiC探測器[110-112]。

2) 高質(zhì)量碳化硅探測器制作

大面積電流型SiC探測器制作難度很大，要求高質(zhì)量同質(zhì)外延材料的表面質(zhì)量高、背景摻雜濃度低、缺陷密度低。碳化硅外延材料的表面質(zhì)量對制作肖特基二極管型器件至關(guān)重要。若表面質(zhì)量差、平整度差、粗糙度高，則肖特基接觸質(zhì)量不好，進(jìn)而會導(dǎo)致局部勢壘降低、反向漏電流增大。外延層中的材料缺陷，可能會引起探測器的反向漏電流增大、甚至發(fā)生電擊穿。探測器面積越大，則需外延材料的缺陷密度越低[106]。脈沖中子探測需要的探測器尺度為厘米尺度，要制作大面積輻射探測器，必須實(shí)現(xiàn)碳化硅外延層缺陷低密度。同時，要求外延材料背景摻雜濃度控制得極低(<1014cm-2)，確保探測器使用時靈敏區(qū)的全耗盡；選擇使用臺面型PIN結(jié)構(gòu)工藝成功將反向漏電流抑制至nA水平(比同尺寸硅探測器低3～4個量級)。為進(jìn)一步提高電流型SiC探測器的有效靈敏面積和最大線性輸出范圍，可采用多芯片并聯(lián)結(jié)構(gòu)，器件和管殼的連接可選擇燒結(jié)封裝工藝獲得可靠的電信號輸出。在器件制作中選擇終端保護(hù)技術(shù)，有利于抑制探測器的反偏電流。

目前成功制作的電流型SiC探測器最大靈敏面積達(dá)4 cm2，靈敏區(qū)厚度約20～30 μm。所研制的電流型探測器包含肖特基勢壘二極管(簡稱SBD)和PIN型二極管(簡稱PIN)兩種結(jié)構(gòu)，均屬于結(jié)型探測器[106,111]。這類探測器的靈敏區(qū)為器件的勢壘區(qū)，有效靈敏區(qū)厚度為結(jié)型器件的耗盡區(qū)厚度[105-106,134]，對于肖特基型器件，勢壘區(qū)內(nèi)建電勢差約為1.6 V，PIN型器件電勢差約為2.1 V。選用內(nèi)建電勢差1.6 V、外加偏壓0～600 V時碳化硅探測器的耗盡區(qū)厚度和外加反向偏壓的關(guān)系(圖2)。摻雜濃度在1×1015cm-3以內(nèi)時，探測器芯片在600 V時耗盡區(qū)厚度不小于20 μm；摻雜濃度在5×1014cm-3以內(nèi)時，探測器芯片在600 V時耗盡區(qū)厚度不小于30 μm。

圖2 耗盡區(qū)厚度和外加反向偏壓的關(guān)系Fig.2 Relation between depletion zone thickness and external reverse bias

3 電流型碳化硅探測器輻射響應(yīng)

電流型碳化硅探測器關(guān)注的性能主要為漏電水平(暗電流)、電荷收集效率、輸出電流線性范圍、時間響應(yīng)、能量分辨本領(lǐng)、時間分辨、能量響應(yīng)等。以下主要針對西北核技術(shù)研究院近年來研發(fā)的大面積肖特基和PIN型探測器開展輻射響應(yīng)性能分析。

1) 暗電流

碳化硅結(jié)型探測器在使用時，常工作在反偏狀態(tài)。用于強(qiáng)流脈沖輻射探測時，為獲得較大線性輸出探測器必須能承受較高的反向電壓，為確保探測器在高偏壓下能正常工作，必須考核探測器的反偏暗電流，通常要求探測器在反偏壓400 V時，暗電流不超過1 μA，且越小越好。

經(jīng)過材料和器件制作工藝的優(yōu)化，大面積拼接探測器在600 V的反向漏電流可低至幾十nA，這比常規(guī)的同尺寸電流型硅探測器低上百倍，對提高輻射探測的信噪比非常有利。圖3為SiC探測器測得的暗電流。

圖3 拼接式探測器的暗電流Fig.3 Dark current of spliced detector

2) 電荷收集效率

測試并分析了碳化硅肖特基型探測器(靈敏區(qū)尺寸：1 mm×5 mm×20 μm；死層：Ni/Au(50 nm/2 μm))和碳化硅PIN型探測器(靈敏區(qū)尺寸：20 mm×20 mm×30 μm；死層：P層/Ni/SiO2/Si3N4(300 nm/100 nm/50 nm/50 nm))的電荷收集效率。在不同外加反向偏壓下測得的電荷收集效率如圖4所示。在反向偏壓達(dá)50 V以上時，兩種探測器的電荷收集效率接近100%。利用外延碳化硅材料制作的探測器電荷收集效率很高，比其他寬帶隙半導(dǎo)體材料(金剛石、氮化鎵等)高得多，碳化硅探測器可用于輻射絕對測量。

3) 輸出電流線性范圍

選擇貫穿的強(qiáng)流脈沖輻射源來完成最大線性電流測試。在西北核技術(shù)研究院的“晨光一號”加速器上開展了大面積SiC探測器的線性電流特性研究。該加速器可產(chǎn)生平均能量幾MeV的貫穿型X射線。文獻(xiàn)[106]給出了拼接式(20 mm×20 mm×30 μm)SiC探測器在“晨光一號”加速器上測得的響應(yīng)波形和李薩茹圖形，400 V時探測器的最大線性電流達(dá)到4.4 A。

圖4 電荷收集效率與外加反向偏壓的關(guān)系Fig.4 Relation between charge collection efficiency and external reverse bias

4) 時間響應(yīng)

選用快脈沖射線源對探測器的時間響應(yīng)特性進(jìn)行研究，在西北核技術(shù)研究院的亞納秒X射線源(X射線平均能量約100 keV，平均脈寬500 ps)和超快紫外激光源(EKSPLA PL2251C激光器，紫外激光波長355 nm，脈沖寬度30 ps，單脈沖最大光功率約20 mJ)上開展了SiC探測器的時間響應(yīng)性能研究。射線源時間參數(shù)半寬小于1 ns，可視為δ源。表2所列為多種尺寸SiC探測器的時間參數(shù)。文獻(xiàn)[111]給出了靈敏面積為4 cm2的拼接式大面積SiC探測器的時間響應(yīng)波形，可知，對脈沖X射線和脈沖紫外激光的響應(yīng)上升時間分別為9.4 ns 和8.0 ns，響應(yīng)波形的半高寬均為84 ns。探測器對兩種射線響應(yīng)上升時間的不同可歸因于X射線可在整個靈敏區(qū)內(nèi)均勻激發(fā)出載流子，而紫外激光的入射深度很淺主要在靠近探測器表面附近激發(fā)出載流子。

5) 帶電粒子的響應(yīng)特性

對大面積SiC探測器開展了其對239Pu、243Am和244Cm α源的響應(yīng)實(shí)驗(yàn)。碳化硅探測器能獲得清晰的、無干擾的α粒子響應(yīng)峰，探測器最優(yōu)的能量分辨率約為3.22%[111]。

表2 SiC探測器的時間參數(shù)Table 2 Time parameter of SiC detector

在中國原子能科學(xué)研究院的HI-13串列加速器上開展了SiC探測器對氧粒子(16O)的響應(yīng)實(shí)驗(yàn)。文獻(xiàn)[109]給出了SiC探測器對能量為86 MeV的氧粒子響應(yīng)譜，偏壓大于100 V后，響應(yīng)峰位變化不大，扣除電子學(xué)等展寬因素后，SiC探測器對氧粒子的最優(yōu)能量分辨率為1.61%。

6) n/γ分辨

利用MCNP-4C模擬計算SiC探測器對1～14 MeV中子和1.25 MeV γ射線的響應(yīng)性能，可獲得探測器的n/γ分辨[106]。靈敏區(qū)20 μm的碳化硅探測器對14 MeV中子和1.25 MeV γ的分辨能力為126，比常見的靈敏區(qū)厚度約300 μm的電流型硅探測器和金剛石探測器分別高9倍和7倍。由于中子輻射環(huán)境中總是伴隨有γ射線，且薄型碳化硅探測器具有極好的n/γ分辨，利于在中子探測中獲得高信噪比，故在混合輻射場中子探測中表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢。

4 電流型碳化硅探測器抗中子輻照性能

在核反應(yīng)堆中子源和氘氚聚變加速器中子源上開展了SBD和PIN型SiC探測器的抗中子輻照性能研究。對探測器和探測器芯片開展了裂變中子和氘氚聚變中子輻照，輻照中子總注量為1012～1016cm-2。對比輻照前后探測器的性能，研究了中子輻照引起的探測器電學(xué)性能退化、輻射響應(yīng)性能退化，在輻照注量為1012～1014cm-2時對比了碳化硅和傳統(tǒng)硅探測器的抗輻照性能。

文獻(xiàn)[106]分別給出了SBD型和PIN型SiC探測器的中子輻照條件和器件測試結(jié)果。中子注量超過1014cm-2時，所有結(jié)型SiC器件的結(jié)均被破壞、結(jié)特性消失，器件喪失正向整流特性，電容-電壓特性劇烈變化，反向偏壓下暗電流下降(但光電流上升)，探測器在反偏時仍可用于輻射探測，但探測器對α粒子的響應(yīng)譜中心顯著向低道數(shù)移動，探測器的電荷收集效率顯著降低，中子注量越高電荷收集效率降低的幅度越大[116]。

可利用文獻(xiàn)[113]中公式及中子輻照前后樣品的電荷收集效率，擬合獲得SiC材料的μτ值。在中子注量為1.3×1014cm-2時，電子和空穴的μτ值分別為2.2×10-8cm2·V-1和1.7×10-8cm2·V-1；在中子注量為7.3×1014cm-2時，電子和空穴的μτ值分別為1.5×10-8cm2·V-1和1.1×10-8cm2·V-1；而輻照前碳化硅材料的μτ值可達(dá)1 000×10-8cm2·V-1。對比可知，中子輻照引入的輻照缺陷會顯著降低材料中載流子的遷移率和載流子壽命，引起μτ值的下降，進(jìn)而導(dǎo)致電荷收集效率的降低。這可能與在材料表征中發(fā)現(xiàn)的多種微觀缺陷有關(guān)，這些缺陷可能是載流子的俘獲中心，會減小載流子有效漂移距離，進(jìn)而引起電荷收集效率的降低。

中子輻照后SiC探測器響應(yīng)性能的退化可能與金屬-半導(dǎo)體接觸界面的退化和SiC外延材料層輻照缺陷的增多有關(guān)。金屬與半導(dǎo)體接觸界面的退化，在輻照后肖特基型探測器的金屬-半導(dǎo)體接觸界面附近的透射電鏡相中可直接觀察到[116]，可見鎳電極和SiC外延材料的分層、脫開，這可能與高注量中子輻照引起的熱效應(yīng)有關(guān)。中子輻照在SiC外延材料內(nèi)引入了大量缺陷，引起低溫PL譜中SiC帶邊特征峰在輻照后的淬滅，引起83 K下低能寬峰強(qiáng)度的衰減和12 K下460～480 nm處缺陷峰的出現(xiàn)[115-116]。低溫PL峰的上述變化，可能與輻照在SiC外延層內(nèi)引起的有效載流子濃度的降低和空位類缺陷的增多有關(guān)[116,135-143]。

5 結(jié)論

本文從電流型半導(dǎo)體探測器的起源、傳統(tǒng)電流型探測器在應(yīng)用中的問題出發(fā)，論述了國內(nèi)外在新型半導(dǎo)體探測器研制和電流型半導(dǎo)體探測器的研究現(xiàn)狀，其中，基于4H型SiC材料的電流型SiC探測器發(fā)展較為迅速、器件成熟度較高。針對該類探測器，本文詳述了如何解決高質(zhì)量、低缺陷密度材料生長和甄選、可靠電接觸工藝技術(shù)、漏電抑制等難題，研制成功了高電荷收集效率、大線性電流、低漏電流的大面積電流型探測器，對其輻射響應(yīng)性能研究現(xiàn)狀和抗輻照性能研究情況進(jìn)行了介紹。本文相關(guān)內(nèi)容可為電流型半導(dǎo)體探測器的研究和應(yīng)用提供參考。