劉林月， 張建福， 李輝， 歐陽曉平

(西北核技術(shù)研究所 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)

半導(dǎo)體探測(cè)器被譽(yù)為固態(tài)電離室，具有高能量分辨、小尺寸和快時(shí)間響應(yīng)等優(yōu)勢(shì)，是用于中子及其次級(jí)帶電粒子探測(cè)的重要探測(cè)器[1]。傳統(tǒng)的硅和鍺探測(cè)器在輻射探測(cè)中發(fā)揮了重要作用，但分別存在抗輻照性能不理想(對(duì)快中子、α粒子和裂變碎片的耐輻照上限分別為1012、1010、108cm-2)、需在液氮低溫下工作使用不便等問題，制約了半導(dǎo)體探測(cè)器在強(qiáng)輻射場(chǎng)環(huán)境中的應(yīng)用，研發(fā)抗輻照性能好、可工作在室溫環(huán)境的半導(dǎo)體探測(cè)器一直是核探測(cè)器研究領(lǐng)域的重要基礎(chǔ)問題[2-5]。

碳化硅(SiC)是Ⅳ-Ⅳ族二元化合物半導(dǎo)體，是第3代寬禁帶半導(dǎo)體材料，具有禁帶寬度大、熱穩(wěn)定性好、擊穿場(chǎng)強(qiáng)高、耐輻照等特點(diǎn)。SiC材料生長技術(shù)和器件制作工藝成熟度較高，探測(cè)器制作涉及的大面積襯底制作、低摻雜外延生長技術(shù)、可靠的電接觸工藝等問題均已解決。4H-SiC是用于制作半導(dǎo)體探測(cè)器的理想選擇之一。

近年來，基于外延材料的碳化硅探測(cè)器發(fā)展較迅速，基于外延材料制作的P-I-N型探測(cè)器目前可實(shí)現(xiàn)：探測(cè)器靈敏面積(達(dá)4 cm2)和電荷收集效率(接近100%)與商用硅探測(cè)器可比、可室溫工作和強(qiáng)抗輻照性能(對(duì)快中子和α粒子的抗輻照性能可達(dá)1014cm-2以上)，已成為中子和帶電粒子探測(cè)的理想選擇之一[6-14]。同時(shí)，這類探測(cè)器可實(shí)現(xiàn)幾安培的最大線性電流，是脈沖輻射場(chǎng)探測(cè)可用的理想電流型探測(cè)器。

在脈沖輻射場(chǎng)探測(cè)應(yīng)用中，探測(cè)器的時(shí)間響應(yīng)非常關(guān)鍵[15-17]?？鞎r(shí)間響應(yīng)的探測(cè)器有利于構(gòu)建快響應(yīng)的探測(cè)系統(tǒng)，在基于飛行時(shí)間方法的中子能譜探測(cè)和脈沖中子/伽馬信號(hào)甄別中具有重要意義。準(zhǔn)確獲得探測(cè)器的時(shí)間響應(yīng)，是準(zhǔn)確了解和掌握輻射場(chǎng)特性隨時(shí)間變化特征、實(shí)現(xiàn)脈沖輻射場(chǎng)特性診斷的前提，但碳化硅探測(cè)器的時(shí)間響應(yīng)特性未見系統(tǒng)研究報(bào)道。本文主要針對(duì)碳化硅薄膜探測(cè)器的時(shí)間響應(yīng)特征開展系統(tǒng)的理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究。

1 時(shí)間響應(yīng)理論計(jì)算

半導(dǎo)體探測(cè)器的時(shí)間響應(yīng)特性對(duì)脈沖輻射場(chǎng)診斷非常重要。基于飛行時(shí)間法的中子-γ聯(lián)合診斷技術(shù)需要快響應(yīng)的半導(dǎo)體探測(cè)器(如圖1)。

圖1 快響應(yīng)探測(cè)器用于脈沖輻射場(chǎng)探測(cè)Fig.1 Fast response detector for pulse radiation field detection

探測(cè)系統(tǒng)的時(shí)間特性h(t)，是探測(cè)器的時(shí)間特性g(t)和射線源的時(shí)間特性i(t)共同作用的結(jié)果。三者的關(guān)系為：

h(t)=i(t)×g(t)

式中：i(t)為脈沖射線源信號(hào)的時(shí)間信息；g(t)為探測(cè)器的時(shí)間響應(yīng)信息；h(t)為輸出信號(hào)時(shí)間信息。

探測(cè)器的時(shí)間特性，一般不考慮傳輸系統(tǒng)及記錄系統(tǒng)對(duì)時(shí)間響應(yīng)的影響，只關(guān)心探測(cè)器的時(shí)間響應(yīng)函數(shù)特征。響應(yīng)函數(shù)g(t)與探測(cè)器厚度、電場(chǎng)分布、探測(cè)器的電容、輻射類型和入射方向、負(fù)載電阻和輸出電流及環(huán)境溫度等有關(guān)。

實(shí)際工作中，探測(cè)器的時(shí)間響應(yīng)特性可由探測(cè)器在超快脈沖輻射(δ函數(shù))激勵(lì)下、經(jīng)由快速信號(hào)傳輸記錄系統(tǒng)獲得的隨時(shí)間變化的脈沖電流/電壓波形給出。當(dāng)測(cè)量所選的脈沖信號(hào)源產(chǎn)生的信號(hào)足夠快、可以近似為δ源時(shí)，g(t)可以用h(t)近似獲得。

半導(dǎo)體探測(cè)器對(duì)全貫穿型輻射的時(shí)間響應(yīng)函數(shù)可用W.C.狄欽松模型[18-19]計(jì)算。全貫穿型輻射電離能力較弱，電離密度不大，不足以產(chǎn)生等離子體效應(yīng)。因此，該模型假定載流子全部被收集，不考慮載流子的俘獲和等離子體時(shí)間效應(yīng)。碳化硅探測(cè)器對(duì)完全貫穿輻射的時(shí)間響應(yīng)計(jì)算公式為：

當(dāng)0≤t≤te時(shí)：

當(dāng)te≤t≤th時(shí)：

當(dāng)t≥th時(shí)：

目前薄膜型碳化硅探測(cè)器多選擇垂直結(jié)構(gòu)器件，其電容可按照下式估算：

式中:C為電容,F；ε0、εr分別為真空介電常數(shù)(8.85×10-12F/m)和相對(duì)介電常數(shù)(4H-SiC為9.7)；Sdet為平板面積，m2；Ldet為探測(cè)器靈敏區(qū)厚度，m。

利用W.C.狄欽松模型計(jì)算了靈敏面尺寸為10 mm×10 mm和20 mm×20 mm、厚度分別為0.02 mm和0.03 mm的碳化硅探測(cè)器的時(shí)間響應(yīng)特性，計(jì)算得到的時(shí)間響應(yīng)波形如圖2所示、時(shí)間特征如表1所示。探測(cè)器響應(yīng)一般用響應(yīng)波形的上升時(shí)間Tr、半高寬TFWHM和下降時(shí)間Td來表征。

圖2 W.C.狄欽松模型計(jì)算的碳化硅探測(cè)器時(shí)間響應(yīng)Fig.2 W. C. Dikinson model calculated silicon carbide detector time response

計(jì)算結(jié)果表明：在相同靈敏面積下，增加探測(cè)器的靈敏區(qū)厚度會(huì)增加響應(yīng)上升時(shí)間，這是由于探測(cè)器響應(yīng)上升時(shí)間主要受電子收集時(shí)間影響，增加靈敏區(qū)厚度會(huì)增加電子收集時(shí)間；在相同靈敏面積下，增加探測(cè)器靈敏區(qū)厚度會(huì)使得探測(cè)器的時(shí)間響應(yīng)更快，即可觀察到更快的下降時(shí)間和更窄的響應(yīng)半高寬；在相同靈敏區(qū)厚度下，增加探測(cè)器的面積會(huì)引起時(shí)間響應(yīng)性能顯著變慢，這主要是受探測(cè)器等效電容的影響，器件面積越大、等效電容越大，RC時(shí)間常數(shù)越大，時(shí)間響應(yīng)會(huì)越慢。

2 時(shí)間響應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究

探測(cè)器的時(shí)間響應(yīng)可通過測(cè)試其對(duì)超快脈沖射線源(可等效為δ脈沖)的輸出響應(yīng)來實(shí)驗(yàn)獲得。通常需選擇脈沖寬度比待測(cè)探測(cè)器響應(yīng)時(shí)間小3～5倍以上的射線源、作為δ脈沖輻射源，選擇快信號(hào)傳輸和記錄儀器構(gòu)建測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)測(cè)試探測(cè)器對(duì)δ脈沖源的時(shí)間響應(yīng)波形。圖3是脈沖測(cè)量系統(tǒng)示意圖。

表1 碳化硅探測(cè)器時(shí)間響應(yīng)特性參數(shù)Table 1 Time response characteristic parameters of silicon carbide detector

圖3 脈沖測(cè)量系統(tǒng)示意Fig.3 Schematic of pulse measurement system

2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

在超快X射線源、紫外激光源和電子源上，實(shí)驗(yàn)研究了多種尺寸SiC探測(cè)器的時(shí)間響應(yīng)性能。西北核技術(shù)研究所的亞納秒X射線源(X射線平均能量約100 keV，平均脈寬500 ps)、超快紫外激光源(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)和皮秒電子源(電子源能量40 MeV，平均脈寬小于10 ps)的時(shí)間寬度均小于0.5 ns，對(duì)時(shí)間響應(yīng)半寬3 ns以上的探測(cè)器均可等效為δ源。實(shí)驗(yàn)中選用1 GHz帶寬示波器來記錄探測(cè)器的時(shí)間響應(yīng)波形，50 Ω的同軸電纜用于連接系統(tǒng)各部分，銅屏蔽殼和銅網(wǎng)被用作電磁屏蔽。

2.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

2.2.1 大面積SiC探測(cè)器的時(shí)間響應(yīng)

圖4給出了靈敏區(qū)尺寸為20 mm×20 mm×0.02 mm的大面積SiC探測(cè)器分別對(duì)不同超快射線束的時(shí)間響應(yīng)波形。200 V偏壓時(shí)，SiC探測(cè)器對(duì)脈沖X射線和脈沖紫外激光的響應(yīng)上升時(shí)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(cè)器對(duì)2種輻射響應(yīng)上升時(shí)間的不同可歸因于2種輻射激發(fā)載流子的特征不同，X射線可在整個(gè)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只在靠近靈敏面表面附近激發(fā)出載流子。400 V偏壓時(shí)，碳化硅探測(cè)器對(duì)超快電子束的時(shí)間響應(yīng)上升時(shí)間、半高寬和下降時(shí)間分別為3.38、52.5和120 ns，電子束的實(shí)驗(yàn)結(jié)果較前述的脈沖X射線更快，電子和X射線均屬于貫穿輻射、可在探測(cè)器整個(gè)靈敏區(qū)內(nèi)激發(fā)出載流子，但是電子束實(shí)驗(yàn)時(shí)探測(cè)器所加偏壓更高、載流子漂移速度更快，故時(shí)間響應(yīng)更快。

比較分析了SiC探測(cè)器時(shí)間響應(yīng)實(shí)驗(yàn)與理論計(jì)算結(jié)果。圖5給出了大面積碳化硅探測(cè)器(靈敏區(qū)尺寸20 mm×20 mm×0.02 mm)對(duì)電子束的時(shí)間響應(yīng)波形與前述W.C.狄欽松模型計(jì)算獲得的時(shí)間響應(yīng)波形，結(jié)果較為一致，時(shí)間響應(yīng)理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)符合較好。圖4中的微弱差異可能來源于計(jì)算使用的載流子遷移率數(shù)值與探測(cè)器的實(shí)際遷移率的差異。表 1給出了不同4種規(guī)格碳化硅探測(cè)器的實(shí)驗(yàn)獲得的時(shí)間響應(yīng)參數(shù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與前述W.C.狄欽松模型計(jì)算結(jié)果差異不大。

圖4 不同實(shí)驗(yàn)獲得的大面積碳化硅探測(cè)器的時(shí)間響應(yīng)波形Fig.4 Time response waveform of large area silicon carbide detectors obtained by different experiments

圖5 理論與實(shí)驗(yàn)獲得的大面積碳化硅探測(cè)器時(shí)間響應(yīng)Fig.5 Theory and experimental time response of large area silicon carbide detector

由于半導(dǎo)體探測(cè)器的時(shí)間響應(yīng)與探測(cè)器的等效電容有關(guān)，探測(cè)器的靈敏區(qū)越厚、電容越小、時(shí)間響應(yīng)越快。目前高電荷收集效率的碳化硅探測(cè)器多選擇同質(zhì)外延材料來制作，探測(cè)器靈敏區(qū)厚度最高可達(dá)百微米左右，選擇厚靈敏區(qū)材料研發(fā)了快時(shí)間響應(yīng)的碳化硅探測(cè)器。

在超快電子源上開展了快響應(yīng)碳化硅探測(cè)器(靈敏區(qū)尺寸3 mm×3 mm×0.1 mm)的時(shí)間響應(yīng)研究，典型的時(shí)間響應(yīng)波形如圖6所示。探測(cè)器的時(shí)間響應(yīng)可達(dá)納秒級(jí)，響應(yīng)上升時(shí)間、半高寬和下降時(shí)間分別為1.90、1.90和3.40 ns。圖6中響應(yīng)后沿基線部分存在反射，可能是實(shí)驗(yàn)時(shí)探測(cè)器引線與同軸電纜聯(lián)接阻抗不匹配導(dǎo)致。

探測(cè)器的時(shí)間響應(yīng)與探測(cè)器所加偏壓有關(guān)，圖7給出了響應(yīng)波形的半高寬和下降時(shí)間與偏壓的關(guān)系。偏壓低于200 V時(shí)，探測(cè)器的響應(yīng)半高寬大于30 ns；但當(dāng)大于200 V時(shí)，響應(yīng)半寬會(huì)降低到3 ns內(nèi)，會(huì)隨著偏壓略微提升，但變化幅度小于20%。探測(cè)器時(shí)間響應(yīng)下降時(shí)間會(huì)隨著偏壓的升高，越來越快，偏壓從50 V提升到600 V，下降時(shí)間會(huì)從4.84 ns降低至3.34 ns。實(shí)驗(yàn)中提高偏壓會(huì)增大探測(cè)器靈敏區(qū)電場(chǎng)強(qiáng)度、提高載流子漂移速度、降低載流子收集時(shí)間，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)探測(cè)器時(shí)間響應(yīng)性能的提升。

圖6 快響應(yīng)碳化硅探測(cè)器時(shí)間響應(yīng)波形Fig.6 Fast response carbide detector time response waveform

圖7 碳化硅探測(cè)器時(shí)間響應(yīng)半寬和下降時(shí)間隨偏壓變化關(guān)系Fig.7 Time response of silicon carbide detectors with bias variation

2.2.2 SiC探測(cè)器的時(shí)間響應(yīng)的尺寸效應(yīng)

研究了不同靈敏區(qū)面積和不同靈敏區(qū)厚度SiC探測(cè)器的時(shí)間響應(yīng)特性。表2列出了實(shí)驗(yàn)獲得的多種尺寸碳化硅探測(cè)器的時(shí)間響應(yīng)參數(shù)，包括響應(yīng)波形的上升時(shí)間Tr、半高寬TFWHM和下降時(shí)間Td。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，靈敏面積越大、靈敏區(qū)厚度越小的探測(cè)器時(shí)間響應(yīng)越慢；反之，面積小、靈敏區(qū)較厚的探測(cè)器，時(shí)間響應(yīng)性能越快，這與前述理論分析結(jié)果基本一致。

半導(dǎo)體探測(cè)器的時(shí)間響應(yīng)與探測(cè)器等效電容(C)和探測(cè)電路等效阻抗(R)的乘積有關(guān)，通常稱為RC時(shí)間參數(shù)。對(duì)于常規(guī)的測(cè)試系統(tǒng)，同軸電纜、示波器等儀器的等效阻抗為50 Ω。碳化硅探測(cè)器的RC時(shí)間與厚度和面積相關(guān)，不同尺寸碳化硅探測(cè)器的RC時(shí)間參數(shù)見表2所示。

表2 SiC探測(cè)器的時(shí)間響應(yīng)性能Table 2 Time response performance of sic detector

探測(cè)器時(shí)間響應(yīng)下降時(shí)間對(duì)探測(cè)器應(yīng)用非常關(guān)鍵。實(shí)驗(yàn)擬合了不同尺寸碳化硅探測(cè)器實(shí)驗(yàn)測(cè)得的時(shí)間響應(yīng)下降時(shí)間和探測(cè)器RC參數(shù)的關(guān)系(見圖8)，獲得了根據(jù)探測(cè)器等效電容估算時(shí)間響應(yīng)特性的經(jīng)驗(yàn)公式Td=1.692×RC+10.3，可為后續(xù)碳化硅探測(cè)器靈敏區(qū)尺寸設(shè)計(jì)提供重要參考。

圖8 碳化硅探測(cè)器下降時(shí)間與探測(cè)器等效電容的關(guān)系Fig.8 Relationship between the low drop time and the detector equivalent capacitance of the silicon carbide detector

3 結(jié)論

1)本文系統(tǒng)研究了電流型碳化硅探測(cè)器的時(shí)間響應(yīng)特性：采用W.C.狄欽松模型計(jì)算了大面積碳化硅探測(cè)器的時(shí)間響應(yīng)理論波形，計(jì)算結(jié)果與在超快脈沖輻射源上獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為一致。

2)研究發(fā)現(xiàn)了靈敏區(qū)尺寸為3 mm×3 mm×0.1 mm碳化硅探測(cè)器的快時(shí)間響應(yīng)特性，響應(yīng)上升時(shí)間和半高寬小于2 ns。

3)實(shí)驗(yàn)研究了碳化硅探測(cè)器時(shí)間響應(yīng)的尺寸效應(yīng)，獲得了探測(cè)器時(shí)間響應(yīng)下降時(shí)間與探測(cè)器RC時(shí)間參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)估算公式。

本文研究結(jié)果可為電流型碳化硅探測(cè)器的設(shè)計(jì)研發(fā)、探測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、在超快脈沖輻射探測(cè)中的應(yīng)用提供重要參考。