碳化硅探測器的最大線性電流研究

劉林月，歐陽曉平，張顯鵬，阮金陸

(強脈沖輻射環(huán)境模擬與效應國家重點實驗室，西北核技術(shù)研究所，陜西 西安 710024)

半導體探測器是實現(xiàn)核反應過程釋放的中子、帶電粒子、伽馬射線等探測的核心探測器件，相比于閃爍探測器，其具有尺寸小、能量分辨率高等諸多優(yōu)勢。傳統(tǒng)的硅探測器和高純鍺探測器在輻射探測和核反應過程研究中發(fā)揮了極其重要的作用，但由于硅探測器存在抗輻照性能不理想、鍺探測器需要工作在低溫環(huán)境等問題，嚴重制約了半導體探測器的應用和輻射探測技術(shù)的發(fā)展。為此，發(fā)展具有強抗輻照性能的室溫半導體探測器是輻射探測領域的核心問題之一。碳化硅(SiC)探測器是近年來新興的一種重要的電流型半導體探測器，美國[1-5]、德國[6]、英國[7]、俄羅斯[8-9]、斯洛伐克[10]、意大利[11-13]、韓國[14]及中國[15-25]等圍繞其開展了大量的器件研制、性能表征和輻射應用研究，其已成為國內(nèi)外核探測領域研究的熱點和前沿。近年來國內(nèi)選擇外延式SiC材料，成功突破了高電荷收集效率(近100%)的厘米級探測器制作難題，并成功將其應用于中子、帶電粒子和X射線等輻射探測中[26-28]。目前，基于4H型外延式SiC材料的SiC中子探測器，可實現(xiàn)比傳統(tǒng)硅探測器高2～5個量級的快中子、α粒子抗輻照性能，低1個量級的本底伽馬響應靈敏度(靈敏區(qū)厚度僅為硅的十分之一)，已成為強流脈沖混合輻射場中實現(xiàn)高信噪比中子探測的理想選擇之一[29-34]。

SiC探測器的最大線性電流是其在強流脈沖輻射場探測應用中必須準確獲得的核心參數(shù)，決定了探測器的輸出上限和探測系統(tǒng)的線性范圍及可探測動態(tài)范圍，其準確獲取對電流型半導體探測器件和探測系統(tǒng)設計極其重要，但目前國際上未見針對電流型SiC探測器的最大線性電流系統(tǒng)研究的公開報道[29,35-36]。本文通過理論與實驗的方式系統(tǒng)開展電流型SiC探測器的最大線性電流研究，研究結(jié)果對SiC探測器和探測系統(tǒng)設計、在強流脈沖輻射探測領域的應用、發(fā)展新的輻射探測技術(shù)都具有重要的意義。

1 線性電流理論計算方法

半導體探測器的最大線性電流受探測器結(jié)構(gòu)、工作狀態(tài)、材料特性等多種因素的影響。垂直電極結(jié)構(gòu)的SiC探測器在脈沖輻射探測工作狀態(tài)下的最大線性電流計算，需要同時考慮最大輸出功率密度、最大線性電流密度不等式和脈沖探測系統(tǒng)的限制因素。圖1為垂直電極結(jié)構(gòu)SiC探測器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 SiC探測器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic structure of SiC detector

1) SiC探測器的最大輸出功率密度限制

由于受到器件散熱能力和界面耐高溫性能的限制，SiC器件在穩(wěn)態(tài)工作模式下可穩(wěn)定輸出的最大功率約為300 W/cm2，在脈沖輻射探測工作狀態(tài)下的最大輸出功率會高幾倍，可高達1 000～3 000 W/cm2[32]。因此，SiC結(jié)型探測器可輸出的最大線性電流密度j1為：

j1=P/V

(1)

其中：P為SiC探測器的最大輸出功率密度，在脈沖輻射探測中最高約3 000 W/cm2；V為工作偏壓，V。

2) 結(jié)型SiC探測器最大線性電流密度不等式限制

當只考慮探測器耗盡區(qū)電場強度和輻射在耗盡區(qū)內(nèi)產(chǎn)生空間電荷的影響，假設載流子遷移率為常數(shù)、探測器全耗盡(耗盡區(qū)寬度不變)、器件最大輸出低于系統(tǒng)偏壓時，可推導出探測器的線性電流密度J不等式[35,37]為：

(2)

其中：R為系統(tǒng)等效阻抗，為50 Ω；A為探測器靈敏面積，cm2；ε為SiC材料的相對介電常數(shù)，對4H-SiC是9.7，硅材料是11.8；ε0為真空介電常數(shù)，為8.85×10-12F/m；D為耗盡區(qū)寬度，cm；V為探測器工作偏壓，V；μ為材料遷移率，對貫穿輻射選μh約50 cm2/(V·s)，對非貫穿輻射μe約900 cm2/(V·s)[28,33]。

對SiC探測器，可推知式(2)對應的最大線性電流密度j2為：

j2=J(F(J)=0.75)

(3)

3) 脈沖探測系統(tǒng)限制

在脈沖輻射探測工作狀態(tài)下，SiC探測器工作時的外加偏壓V會限制探測器的最大線性電流輸出，對應的最大線性電流輸出密度j3[27]為：

(4)

綜上可知，SiC探測器的理論最大線性電流密度j應取j1、j2和j3的最小值：

j=min(j1,j2,j3)

(5)

SiC探測器的最大線性電流I為：

I=Aj

(6)

2 最大線性電流影響因素

垂直結(jié)構(gòu)SiC探測器的最大線性電流與輻射類型、探測器靈敏區(qū)面積、耗盡區(qū)電場強度、探測器的靈敏區(qū)厚度(耗盡區(qū)寬度)等因素有關。

2.1 輻射類型

貫穿輻射，一般指X/γ射線、高能帶電粒子，會在半導體探測器整個靈敏區(qū)內(nèi)沉積能量、均勻地激發(fā)出電子空穴對。非貫穿輻射，指紫外光、低能X射線、低能帶電粒子等，一般在探測器入射表面附近沉積所有能量、激發(fā)電子空穴對。貫穿輻射和非貫穿輻射都可用于半導體探測器的最大線性電流研究。對于圖1所示的垂直結(jié)構(gòu)的SiC探測器，當選擇非貫穿輻射時，響應信號主要來源于輻射激發(fā)出的電子在空間電荷區(qū)的漂移，因此根據(jù)式(2)計算F(J)時，μ選擇電子遷移率，約900 cm2/(V·s)。對于貫穿輻射，μ選擇空穴遷移率，約50 cm2/(V·s)。根據(jù)式(2)計算了貫穿輻射和非貫穿輻射下，靈敏區(qū)尺寸1 cm2×30 μm的SiC探測器在工作電壓為600 V時的F(J)(圖2)，計算結(jié)果差異很小(1%以內(nèi))。考慮到該計算條件下j2主要決定探測器的最大線性電流密度，因此SiC探測器對貫穿輻射和非貫穿輻射的最大線性電流差異很小。

2.2 探測器靈敏區(qū)面積

研究了探測器靈敏區(qū)面積對F(J)和最大線性電流的影響。根據(jù)式(2)和式(6)計算了不同靈敏區(qū)面積的SiC探測器在貫穿輻射下的最大線性電流，計算時選擇探測器靈敏區(qū)厚度30 μm、工作電壓600 V，計算的F(J)和最大線性電流分別如圖3a、b所示。結(jié)果表明，探測器的最大線性電流會隨著探測器面積的增大而增加，但在靈敏面積達2 cm2以上時，會逐漸趨于飽和，600 V時SiC探測器的理論最大線性電流約為6 A。

圖2 貫穿和非貫穿輻射的F(J)Fig.2 F(J) of penetrating and nonpenetrating radiation

2.3 電場強度

根據(jù)式(2)、(6)計算了探測器靈敏區(qū)尺寸為1 cm2×30 μm、貫穿輻射時，不同耗盡區(qū)電場強度下SiC探測器的F(J)和最大線性電流，計算結(jié)果如圖4所示。計算結(jié)果表明，探測器的最大線性電流隨探測器耗盡區(qū)電場強度的增大而增加，當電場強度達2.0×105V/cm以上時，最大線性電流會逐漸趨于飽和，對于靈敏區(qū)尺寸為1 cm2×30 μm的SiC探測器最大線性電流飽和值約為5 A。

2.4 探測器靈敏區(qū)厚度

根據(jù)式(2)、(6)計算了探測器靈敏區(qū)面積1 cm2、工作電壓600 V、貫穿輻射時，不同靈敏區(qū)厚度SiC探測器的F(J)和最大線性電流，計算結(jié)果如圖5所示。計算結(jié)果表明，探測器的最大線性電流隨探測器厚度的增大而減小，在靈敏區(qū)厚度小于100 μm時探測器最大線性電流不低于4.5 A，探測器靈敏區(qū)厚度增大至300 μm時最大線性電流低至0.73 A。值得注意的是，在上述計算條件下，增加探測器靈敏區(qū)厚度的同時會減小探測器的等效電容、減小耗盡區(qū)電場強度，圖5的計算結(jié)果是靈敏區(qū)厚度、等效電容和耗盡區(qū)電場強度綜合作用的結(jié)果。

a——F(J)；b——最大線性電流圖3 靈敏區(qū)面積對SiC探測器線性電流的影響Fig.3 Influence of sensitive area on linear current of SiC detector

a——F(J)；b——最大線性電流圖4 耗盡區(qū)電場強度對SiC探測器線性電流的影響Fig.4 Influence of electric field intensity in depletion region on linear current of SiC detector

a——F(J)；b——最大線性電流圖5 靈敏區(qū)厚度對SiC探測器線性電流的影響Fig.5 Influence of thickness on linear current of SiC detector

圖6 SiC探測器最大線性電流隨電場強度和電容的變化Fig.6 Variation of SiC detector’s maximum linear current with electric field intensity and capacitance

對靈敏區(qū)尺寸1 cm2×30 μm的SiC探測器在不同工作偏壓下的最大線性電流進行了計算，計算時增加偏壓只會增加探測器耗盡區(qū)的電場強度；同時計算了靈敏區(qū)面積1 cm2、工作電壓600 V時，不同靈敏區(qū)厚度下的最大線性電流，減小探測器靈敏區(qū)厚度會同時增加耗盡區(qū)電場強度、探測器等效電容，結(jié)果如圖6所示。對比圖6中的兩組計算結(jié)果可知：在耗盡區(qū)電場強度較大時，增加探測器偏壓和減小探測器靈敏區(qū)厚度都會導致最大線性電流趨于飽和(飽和最大線性電流約5 A)；低電場強度下，只增加電場強度時探測器最大線性電流的增長速度低于減小探測器靈敏區(qū)厚度(即電場強度和電容同時增加)時的情況，故探測器等效電容的增加在一定范圍內(nèi)會導致探測器最大線性電流的增大。

3 最大線性電流實驗研究

圖7 SiC探測器最大線性電流實驗系統(tǒng)布局Fig.7 Design of SiC detector maximum linear current experiment system

半導體探測器的最大線性電流可通過探測器對強脈沖輻射源的響應實驗來獲得，實驗系統(tǒng)布局如圖7所示。實驗時同時測量兩枚同尺寸探測器的脈沖響應，通過調(diào)節(jié)入射的輻射劑量來獲得前端探測器有畸變的飽和波形、后端探測器無畸變的未飽和波形。通過繪制前端和后端探測器響應波形上升時間的李薩茹曲線，判讀曲線偏離線性位置來獲得探測器的最大線性電流。

SiC探測器的最大線性電流實驗分別在西北核技術(shù)研究所的強光一號加速器(脈沖半高寬25 ns、X射線平均能量幾MeV)、晨光一號加速器(脈沖半高寬20～25 ns、X射線平均能量0.33 MeV)和皮秒紫外激光源(脈沖寬度30 ps，波長355 nm，能量20 mJ)上完成。加速器提供的X射線對于SiC探測器屬于全貫穿型射線；激光器提供的紫外光源為非全貫穿輻射。實驗時探測器安裝在銅質(zhì)電磁屏蔽殼體中，選用帶寬1 GHz的示波器記錄響應信號，選用高壓電源給探測器供電，各部件均用50 Ω阻抗的同軸電纜連接。表1為SiC探測器在實驗中獲得的最大線性電流。1 cm2×30 μm的SiC探測器在300 V和400 V時的最大線性電流分別為3.25 A和3.50 A，4 cm2×30 μm的SiC探測器在300 V和400 V時分別為3.53 A和4.40 A，增大探測器靈敏區(qū)面積或增大探測器耗盡區(qū)電場強度都會使SiC探測器的最大線性電流增加，這與前述計算結(jié)果一致。

圖8a為在晨光一號加速器上獲得的靈敏區(qū)尺寸為4 cm2×30 μm的SiC探測器的響應波形，飽和波形的半高寬會略大于未飽和波形，圖8b為對應的李薩茹圖，可看出，在工作電壓400 V時SiC探測器的最大線性電流約為4.40 A。圖9為多枚SiC探測器在晨光一號加速器上的最大線性電流實驗結(jié)果，在300 V偏壓下，靈敏區(qū)尺寸為4 cm2×30 μm和1 cm2×30 μm探測器的最大線性電流分別為(3.53±0.11) A和(3.25±0.17) A。

在F(J)取0.75時，根據(jù)式(2)、(6)計算了不同規(guī)格SiC探測器的F(J)和最大線性電流，結(jié)果分別如圖10和表1所示。當F(J)取0.75時不同規(guī)格SiC探測器最大線性電流的計算結(jié)果與前述實驗結(jié)果的最大相對偏差約23%，故本文所述計算方法可有效估算不同規(guī)格SiC探測器的最大線性電流，為電流型探測器設計提供有力參考。

表1 不同規(guī)格SiC探測器在貫穿和非貫穿輻射下的實驗和理論最大線性電流Table 1 Experimental and theoretical maximum linear current of different SiC detectors under penetrating and non-penetrating radiation

a——響應波形；b——李薩茹圖圖8 最大線性電流實驗波形Fig.8 Response waveforms of maximum linear current experiments

靈敏區(qū)尺寸：a——4 cm2×30 μm；b——1 cm2×30 μm圖9 300 V偏壓下不同尺寸SiC探測器的最大線性電流實驗結(jié)果Fig.9 Experimental maximum linear current of SiC detector at reverse bias of 300 V for different detector dimensions

圖10 SiC探測器最大線性電流計算結(jié)果Fig.10 Theoretical maximum linear current of SiC detector

對常用規(guī)格的SiC探測器和硅探測器的線性電流進行了對比分析，結(jié)果如圖11所示。SiC探測器和硅探測器的靈敏區(qū)尺寸分別為4 cm2×30 μm和3.14 cm2×300 μm，F(xiàn)(J)取值分別為0.75和0.8[35,37]，硅探測器線性電流的實驗值來自參考文獻[37]，兩種常用規(guī)格探測器最大線性電流的計算結(jié)果與實驗結(jié)果相對偏差小于10%。

4 結(jié)論

本文研究了電流型SiC探測器的最大線性電流特性，給出了SiC探測器最大線性電流的理論計算方法，分析了輻射類型、靈敏區(qū)面積、耗盡區(qū)電場強度、靈敏區(qū)厚度對最大線性電流的影響。實驗研究了SiC探測器的最大線性電流，目前靈敏區(qū)尺寸4 cm2×30 μm的SiC探測器在400 V時的最大線性電流約為4.40 A；增大探測器靈敏區(qū)面積或增大探測器耗盡區(qū)電場強度都會增加SiC探測器的最大線性電流，該趨勢與理論計算結(jié)果一致。本文所述SiC探測器最大線性電流計算方法可實現(xiàn)最大線性電流的有效估算、計算結(jié)果與實驗結(jié)果最大相對偏差約23%。本文研究結(jié)果可為電流型SiC探測器結(jié)構(gòu)設計、強流脈沖輻射探測系統(tǒng)設計和應用提供參考。

a——F(J)；b——最大線性電流理論和實驗值圖11 硅與SiC探測器的最大線性電流Fig.11 Maximum linear current of Si detector and SiC detector at reverse bias of 400 V and 600 V