GaN基中子探测器的制备与性能研究

摘要

中子不带电，它与原子核相互作用时不受库仑势力的阻挡。先进的中子探测技术是开展精密中子物理实验的基础，在核反应堆、新能源技术、核武器研究和设计等领域发挥着重要作用。然而，中子探测器在中子探测技术中是最前端器件且最为关键部件之一。目前，基于核反应法制备的第一代6Li夹心半导体硅中子探测器具有功耗低、线性响应范围宽、响应时间快、n/γ分辨率好、体积小、工作电压低等优点被广泛采用，在许多应用领域替代3He正比计数管、BF3正比计数管和闪烁体探测器。但是，在中子测井、油气勘探、地下探矿、核电站放射性检测等领域，中子探测器面临高温或强辐射的恶劣工作环境。这些应用领域都对半导体中子探测器提出了新的性能要求。由于第三代宽禁带氮化镓材料具有禁带宽度大、位阈能大、高击穿电场、高电子饱和速率、高热导率、高击穿电场和良好的化学稳定性等优异特性，基于GaN基的中子探测器具有耐辐照、耐高温、线性响应范围宽、响应时间快、n/γ分辨率好、体积小、工作电压低等优点，非常适合作为新一代半导体中子探测器，具有很好的应用前景。本文根据中子与GaN的相互作用和探测机理，围绕GaN器件的制备工艺和中子转换层的性质及特点，设计并制备了GaN基中子探测器，并对其性能和相关物理机制进行了系统研究。本文主要研究内容和结果如下:
　　(1)利用SRIM及MCNP软件模拟仿真了alpha粒子在GaN材料中的射程、电荷输运特性、器件结构对电荷收集效率的影响，建立了alpha粒子探测器的仿真模型;仿真了不同厚度的6LiF转换层对中子转换效率的影响。根据理论仿真分析结果，设计了探测器的器件结构。利用MOCVD法在蓝宝石衬底上外延生长了GaN基pin结构，讨论了n和p型GaN的欧姆接触及肖特基接触，分析了界面态对欧姆接触及肖特基接触的影响;并且根据讨论结果，制备了pin结构alpha粒子探测器。根据制备的pin探测器，测试了探测器的电学性能，包括I-V、C-V;利用241Am源，测试了器件在不同电压不同面积下的电荷收集效率，alpha能谱。测试结果表明，由于GaN存在着很强的极化效应，在偏压为0V时，探测器的漏电流最小，能谱分辨率最好。
　　(2)GaN作为第三代宽禁带直隙半导体材料，应用在核辐射探测方面的主要优势是耐高温和耐辐照。本文开展了GaN基pin探测器的高温测试，测试温度范围从290K到475K。测试结果表明，当温度升高到475K时，探测器的FWHM变化很小。由此说明，GaN基核辐射探测器能够工作在475K以上的环境中。本文还开展了高能10MeV电子辐照对GaN基pin alpha粒子探测器性能影响的实验研究。采用不同注入剂量的电子，对探测器的电学性能、alpha粒子能谱等特性进行了详细的测试和分析。研究结果表明，当注入剂量大于100KGy时，器件的性能开始退化，电荷收集效率也开始变差。
　　(3)基于核反应法探测中子的原理，针对中子转换层的关键材料6LiF，模拟仿真了不同厚度对中子转换效率的影响;结合目前转换层的薄膜制备方法的难点，重点开展了热蒸发和溶胶法制备6LiF薄膜工艺的研究，从表面形貌、晶体质量和薄膜生长速率方面，探讨了不同工艺条件下的制备方法。研究结果表明，该法工艺简单，制备的薄膜性能较好。结合制备的6LiF中子转换层，利用241Am-Be快中子中子源开展了GaN基pin中子探测器的快中子的测量实验研究，利用高密度聚乙烯将快中子转换为热中子，采用脉冲计数，实现了中子探测。实验结果表明，当6LiF的厚度为16.9μm，聚乙烯厚度为7mm，反向偏压为-10V时，探测器的中子探测效率为1.7％。
　　通过对GaN基中子探测器的理论分析、模拟仿真、器件结构设计、外延生长及表征、alpha粒子探测性能、耐高温和耐辐照性能测试、6LiF制备及快中子探测性能等关键问题进行了有针对性的研究。扩展了GaN基核辐射探测器的应用领域，在国际上首次成功的制备了基于6LiF的GaN基中子探测器。基于以上研究工作，证明了GaN材料作为核辐射探测器具有耐高温和耐辐照优势，可以开展GaN基核辐射探测器在工业中的应用。

目录

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摘要

图目录

表目录

主要符号表

1 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2半导体核辐射探测器的工作原理

1．3核辐射探测器对半导体材料的要求

1．4 GaN基本性质

1．5 GaN基中子探测器国内外研究进展

1．6本文主要研究思路及内容

2 半导体中子探测机理及理论仿真

2．1 引言

2．2 中子与GaN的相互作用

2．3中子仿真模型

2．4 alpha粒子在转换层和GaN薄膜中的射程

2．5本章小结

3 GaN薄膜生长及器件制备

3．1 引言

3．2器件结构外延生长

3．3 GaN基pin薄膜的材料表征

3．4 GaN的欧姆接触／肖特基介绍

3．5器件制备

3．6本章小结

4 alpha粒子探测器的测试

4．1 引言

4．2电学特性测试

4．3 alpha粒子能谱测试

4．4高温特性

4．5耐辐照特性

4．6本章小结

5 中子探测器的制备及测试

5．1 引言

5．2慢化剂

5．3中子转换层制备

5．4 241Am-Be快中子测试

5．5本章小结

6结论与展望

6．1结论

6．2创新点

6．3展望

参考文献

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢

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