董翰林， 于成浩， 郭浩民， 韓運(yùn)成， 張立龍

(1.杭州電子科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，浙江 杭州 310018； 2.中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院，安徽 合肥 230031)

0 引 言

中子探測問題一直受到空間探索、國土安全、核電站、高能物理實(shí)驗(yàn)等領(lǐng)域的高度關(guān)注[1～3]。碳化硅(SiC)中子傳感器的抗輻射能力遠(yuǎn)優(yōu)于硅或鍺傳感器[4]。并且與3He正比計(jì)數(shù)管相比，SiC中子傳感器具有工作電壓低、電荷收集快、體積小、中子伽馬判別能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[5]。由于中子是電中性的，用于識別中子的方法通常依賴于中子和轉(zhuǎn)換材料(6LiF，10B)發(fā)生核反應(yīng)產(chǎn)生的次級帶電粒子[6]。當(dāng)這些帶電粒子進(jìn)入SiC二極管的有源區(qū)時，通過庫侖散射產(chǎn)生多個電子—空穴對，最終通過外電極對電子和空穴進(jìn)行收集便可獲得微小的電流脈沖信號，從而便間接地實(shí)現(xiàn)對中子的探測[7]。

已有幾個研究小組在結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)以提高本征檢測效率方面做出了實(shí)質(zhì)性的早期貢獻(xiàn)[8]，由于中子轉(zhuǎn)換材料的自吸收作用，薄膜涂層中子傳感器的探測效率低于5 %[9]。為了提高中子探測效率，研究人員開發(fā)了疊層硅中子傳感器[10]。此外，堪薩斯州立大學(xué)還開發(fā)了硅微結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體中子探測器(microstructured semiconductor neutron detector,MSND)[11]。目前，大多數(shù)研究都集中在SiC薄膜涂層中子傳感器上，而關(guān)于SiC微結(jié)構(gòu)中子傳感器的報(bào)道很少[12]。

1 單面型SiC中子傳感器

1.1 平面型SiC中子傳感器的仿真分析

平面型SiC中子傳感器由中子反應(yīng)膜和SiC二極管器件組成，如圖1(a)中的插圖所示。常用的中子轉(zhuǎn)換材料有6LiF和10B，而中子與6LiF反應(yīng)產(chǎn)生的帶電粒子能量更高，更容易將中子信號從伽馬背景噪聲中區(qū)分出來。中子先與6LiF發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生2.05 MeV的α粒子和2.73 MeV的氚粒子，為了保持動量守恒，α粒子和T粒子向著相反的方向出射?；诿商乜寮夹g(shù)[13,14]的Geant4工具包可以逐步追蹤這些粒子，直到它們失去全部能量或離開世界體。由于中子捕獲概率隨著轉(zhuǎn)換層厚度t的增加而增加。然而，由于轉(zhuǎn)換材料對次級帶電粒子的自吸收效應(yīng)，導(dǎo)致次級粒子將其能量沉積在轉(zhuǎn)換材料中，而對輸出脈沖信號沒有貢獻(xiàn)。如果轉(zhuǎn)換器層很厚，則導(dǎo)致次級粒子的能量沉積在轉(zhuǎn)換層中，而無法到達(dá)SiC二極管區(qū)域。因此，轉(zhuǎn)換層厚度在平面型傳感器的設(shè)計(jì)中至關(guān)重要。通過將低能甄別閾值(low energy level discrimination threshold,LLD)設(shè)置為300 keV便可以濾除掉Gamma背景的干擾，因此中子探測效率便可以定義為在SiC傳感器區(qū)域中沉積能量大于LLD的事件數(shù)除以入射到傳感器的中子事件數(shù)。探測效率和能量淀積譜隨轉(zhuǎn)換層厚度t的變化分別如圖1(a)和圖1(b)所示。

圖1 平面型SiC中子傳感器

從圖1可以看出，當(dāng)轉(zhuǎn)換層的厚度小于或大于最佳厚度時，探測效率都會下降。很明顯，當(dāng)6LiF 的厚度達(dá)到25 μm左右，本征檢測效率達(dá)到最大值4.3 %，然后隨著6LiF厚度的增加，探測效率緩慢下降。這種現(xiàn)象是因?yàn)橄拗茻嶂凶颖菊魈綔y效率的兩個因素是中子吸收效率和反應(yīng)產(chǎn)物逸出概率。當(dāng)轉(zhuǎn)換層較薄時，中子被俘獲的概率較小，因此次級粒子的數(shù)量較少。當(dāng)轉(zhuǎn)換層較厚時，由于轉(zhuǎn)化材料對次級粒子的自吸收增強(qiáng)，反應(yīng)產(chǎn)物逸出的概率降低。這從能量淀積譜圖中同樣可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)6LiF的厚度較薄時，在2.05 MeV附近可以觀察到明顯的α峰，在2.73 MeV附近可以觀察到明顯的T峰。這是因?yàn)榇渭壛Ｗ油ㄟ^薄轉(zhuǎn)換層僅損失少量能量，因此大部分可以進(jìn)入SiC傳感器。當(dāng)6LiF的厚度繼續(xù)增加到40 μm時，高能區(qū)間的計(jì)數(shù)減少，而低能區(qū)間的計(jì)數(shù)增加。這主要是由于轉(zhuǎn)換層的自吸收效應(yīng)增強(qiáng)，這也不利于區(qū)分背景伽馬射線。由于次粒子向著相反方向噴射，每次核反應(yīng)后，只有一個次級粒子可以進(jìn)入 SiC 傳感器區(qū)域，因此，可以發(fā)現(xiàn)圖1(b)中的能量截止值是能量最高的次級粒子的能量值。

1.2 溝槽型SiC中子傳感器的仿真分析

由于轉(zhuǎn)換材料的自吸收效應(yīng)，平面型SiC中子傳感器的本征探測效率被限制在5 %以下。幸運(yùn)的是，如圖2(a)所示的溝槽型微結(jié)構(gòu)中子傳感器可以突破這一限制。因?yàn)闇喜坌蚐iC中子傳感器可以增加6LiF的填充量和次級粒子入射到SiC區(qū)域中的概率。影響溝槽型SiC中子傳感器的本征探測效率的結(jié)構(gòu)參數(shù)有溝槽間隙Tg,溝槽寬度Tw和溝槽深度H。

對于用6LiF 回填的溝槽型MSND，任意選擇溝槽寬度Tw為20 μm。當(dāng)LLD=300 keV時，溝槽型MSND在不同溝槽深度H下本征探測效率隨溝槽間隙Tg的變化如圖2(b)所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，隨著溝槽間隙Tg的增加，本征探測效率先急劇增加，然后緩慢下降。當(dāng)溝槽間隙Tg約為5 μm時，無論溝槽深度H如何，本征探測效率都取到最大值。接著當(dāng)溝槽深度H固定為100 μm，當(dāng)LLD=300 keV時，本征探測效率隨溝槽間隙Tg變化，如圖2(c)所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，當(dāng)溝槽寬度Tw取不同的值時，溝槽間隙Tg為5 μm時本征探測效率總是達(dá)到最大值且與溝槽寬度Tw無關(guān)。

基于上述結(jié)論，對于6LiF回填的MSND，最優(yōu)的溝槽寬度Tg可以固定為5 μm。并且隨著溝槽寬度Tw的增加，探測效率先升高后降低。如圖2(d)所示，在不同溝槽深度H的情況下，當(dāng)溝槽寬度Tw約為15 μm時，本征探測效率均達(dá)到最大值。因此，6LiF回填的MSND的最佳參數(shù)組合是15 μm的溝槽寬度Tw和5 μm的溝槽間隙Tg。

圖2 溝槽型SiC中子傳感器

2 雙面溝槽型SiC中子傳感器

2.1 新型雙面交叉式T型溝槽結(jié)構(gòu)

為了進(jìn)一步提升器件的性能，已有團(tuán)隊(duì)提出了雙面蝕刻的交叉式微結(jié)構(gòu)如圖3(a)所示[15]。盡管制造起來更加困難，但電場將在整個檢測器區(qū)域中均勻分布，并且收集所有產(chǎn)生的電荷所需的信號積分時間將減少，并且不受增加的微結(jié)構(gòu)深度的限制。但由于中子經(jīng)過SiC區(qū)域?qū)⒉荒鼙晃?，因此存在中子的自由流通路徑，不利于探測效率的提升。本文提出了一種新型雙面交叉式T型溝槽結(jié)構(gòu)的SiC中子傳感器如圖3(b)所示。該結(jié)構(gòu)可以完全消除中子自由流通路徑，可以提升中子吸收概率進(jìn)而可以大幅度提升器件的中子探測效率。同樣兼具電場均勻和信號積分時間短等優(yōu)點(diǎn)。

圖3 兩種結(jié)構(gòu)示意

2.2 結(jié)果對比分析

傳統(tǒng)的雙面交叉式微結(jié)構(gòu)中子傳感器需要在4H-SiC外延片的正面和反面分別進(jìn)行交叉式的溝槽刻蝕，需要往正面和背面的溝槽內(nèi)部都回填中子轉(zhuǎn)換材料6LiF。而雙面交叉式T型溝槽結(jié)構(gòu)中子傳感器可以在4H-SiC外延片的正面和反面通過兩次曝光和兩次刻蝕后形成交叉式的T型溝槽，可以進(jìn)一步增加SiC刻蝕深度。然后在雙面T型溝槽內(nèi)分別形成P區(qū)和N區(qū)，接著將T型溝槽內(nèi)回填滿中子轉(zhuǎn)換材料。本文提出的T型溝槽SiC結(jié)構(gòu)相較于傳統(tǒng)的交叉指型中子傳感器可以完全消除中子自由流通路徑，進(jìn)而可大幅提升中子探測效率。當(dāng)溝槽深度H為100 μm時，采用蒙特卡洛軟件Geant4對兩種結(jié)構(gòu)的中子傳感器的本征中子探測效率隨著LLD的變化情況如圖4(a)所示。交叉型結(jié)構(gòu)的探測效率隨著LLD的變化較小，而雙面T型溝槽的探測效率隨著LLD的變化減小很快，當(dāng)LLD大于800 keV后，探測效率低于傳統(tǒng)的交叉型。但是實(shí)際中的Gamma射線或者背景噪聲在SiC中淀積的能量一般都在300 keV以下，因此，將LLD設(shè)置為300 keV時，就完全可以消除掉背景噪聲或者Gamma射線引入的誤計(jì)數(shù)。雙面T型溝槽型中子探器件相比于傳統(tǒng)交叉指型傳感器件，中子探測效率提升了7.23 %。顯然，T型溝槽中子傳感器可以大幅度提升中子探測效率。而且從SiC實(shí)際的工藝出發(fā)，100 μm的刻蝕深度是很難實(shí)現(xiàn)的[16]。而本文提出的T型溝槽可以通過兩次刻蝕就很容易實(shí)現(xiàn)100 μm的刻蝕深度。

此外，由于SiC材料的P區(qū)和N區(qū)只能使用離子注入形成，但是深溝槽的底部和側(cè)壁離子注入形成連續(xù)的P區(qū)和N區(qū)難度很大，而本文提出的T型溝槽結(jié)構(gòu)可以只在上溝槽部分使用離子注入形成部分的P區(qū)和N區(qū)摻雜，如圖4(b)所示的結(jié)構(gòu)。這樣也有助于提高器件的電荷收集效率,可以進(jìn)一步提升器件的性能。

圖4 兩種結(jié)構(gòu)探測效率對比結(jié)果分析

3 結(jié) 論

由于中子是電中性的，用于識別中子的方法通常依賴于次級帶電粒子。本文中，基于Geant4工具包研究了基于SiC的中子傳感器的性能?？紤]了薄膜涂層和溝槽型中子傳感器，并根據(jù)相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算了它們的本征探測效率，LLD值固定在300 keV。由于轉(zhuǎn)換材料的自吸收效應(yīng)，薄膜涂層SiC中子傳感器的本征探測效率被限制在5 %以下。溝槽型SiC中子傳感器可以突破這一限制。基于傳統(tǒng)的交叉型溝槽結(jié)構(gòu)提出新型雙面T型溝槽結(jié)構(gòu)，可以完全消除中子自由流通路徑進(jìn)而顯著提高中子的本征探測效率。并且本文提出的T型溝槽結(jié)構(gòu)可以只在上溝槽部分使用離子注入形成部分摻雜的P區(qū)和N區(qū)。這樣也有助于進(jìn)一步提高器件的電荷收集效率進(jìn)而提升器件的性能，為以后深溝槽高性能SiC中子傳感器的制造提供了方案。