近日,中國科學(xué)院合肥物質(zhì)院核能安全所與南京大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、中國科學(xué)院近代物理所、南華大學(xué)等單位合作,在半導(dǎo)體基輻射探測器研制方面取得系列新進(jìn)展,相關(guān)成果發(fā)表在IEEE Electron Device Letters和Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A期刊上。
輻射探測器是人類認(rèn)識微觀世界的“眼睛”,可用于觀察和研究核輻射和微觀粒子,在基礎(chǔ)研究、核能開發(fā)和核技術(shù)應(yīng)用等領(lǐng)域具有不可替代的作用。但目前廣泛應(yīng)用的探測器存在靈敏度低或環(huán)境適應(yīng)能力不足的問題,不能滿足高溫、強(qiáng)輻照環(huán)境條件下的應(yīng)用需求。而采用基于寬禁帶和超寬禁帶材料的半導(dǎo)體基輻射探測器,具有耐高溫、抗輻照、易集成等諸多優(yōu)勢,是近年來先進(jìn)輻射探測技術(shù)研發(fā)的一個重要發(fā)展方向。
核能安全所科研人員基于寬禁帶和超寬禁帶材料的半導(dǎo)體基輻射探測技術(shù),針對現(xiàn)有探測器存在的問題,優(yōu)化了探測器的設(shè)計、制備工藝和測試方案,大大提升了輻射探測器的性能指標(biāo),取得系列研究成果。
科研人員制備了具有較低界面態(tài)密度和漏電流水平的大面積氧化鎳-氧化鎵(p-NiO/β-Ga2O3)器件,并耦合硼中子轉(zhuǎn)換材料,得到了接近1%的本征中子探測效率,完成了Ga2O3基輻射探測器用于熱中子探測的首次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,為極端惡劣環(huán)境條件下的中子探測技術(shù)發(fā)展進(jìn)行了有益探索。
科研人員制備了具有超低摻雜濃度(<1×1014cm-3)和超厚外延層(80μm)結(jié)構(gòu)的碳化硅肖特基(4H-SiC SBD)型探測器系統(tǒng),該探測系統(tǒng)具有良好的線性響應(yīng),能量分辨率達(dá)到1%水平,可實(shí)現(xiàn)對12 MeV高能α粒子的完全能量沉積,并在80℃下長時間(24天)穩(wěn)定工作,為極端條件下超重元素的準(zhǔn)確測量相關(guān)工作提供了有力的技術(shù)支持。
該研究利用氧化氮(NO)退火工藝改善SiC/SiO2界面,提高了探測器性能,實(shí)現(xiàn)了較高的α粒子能量分辨水平(優(yōu)于5‰@5486 keV)。進(jìn)一步研發(fā)了基于硼中子轉(zhuǎn)換層的新型熱中子探測器,實(shí)現(xiàn)了熱中子與硼核反應(yīng)兩個主要反應(yīng)通道的良好區(qū)分,完成了該新型探測器對中子探測的原理驗(yàn)證。
圖-1 Ga2O3器件實(shí)物、光學(xué)顯微鏡照片及結(jié)構(gòu)示意圖
圖-2 4H-SiC SBD 器件的227Ac能譜(a)及線性響應(yīng)(b)
圖-3 NO退火工藝處理后4H-SiC探測器的239Pu-241Am源能譜