SiC基PIN型X射线探测器的研制

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相较于前两代半导体材料,碳化硅(Si C)材料禁带宽度大、击穿电场强度高、导热性好,有着应用于恶劣环境下辐射探测领域的独特优势;而作为一种高能射线,X射线有着广泛的应用,涵盖医学、工业和分析学。此外,宇宙中的X射线蕴含着天文的大量信息,核反应中的X射线可以反映核反应的程度和阶段。为此本文对Si C基PIN型X射线探测器开展了研究工作。通过对高阻4H-Si C单晶进行双面离子注入,研发出p-(300nm)/i-(364μm)/n-(300 nm)、掺杂浓度在1×1019cm-3、电极结构为Al/Ti/Au欧姆接触的PIN型器件。在理论分析方面,使用Srim仿真工具完成了离子注入参数优化与注入损伤评估,即确定了五次注入的能量与剂量,并通过dpa、替位碰撞和能量沉积统计揭示了注入损伤的影响,发现Si C中Si原子的相关指标都要大于C原子;为了探究器件的X射线能量响应范围,使用Geant4完成了器件对X射线沉积能量能力的评估。以X射线能量沉积达90%以上为限定,确定了本文所述Si C-PIN型器件的探测能量上限为10.62 ke V。此外,使用Silvaco TCAD仿真工具对器件的电学特性进行分析,理论上在-200V反向偏压时器件的暗电流密度为1.62×10-8 A/cm~2。对高阻Si C单晶进行硼和氮离子注入,并进行热退火激活处理。热激活后4H-Si C拉曼特征峰信号变强,且透射吸收谱测试中样品的吸收边恢复陡峭,表明因离子注入而被破坏的Si C晶格获得到了显著修复;制备欧姆接触电极后,对器件的电学特性进行了测试,在电流-电压JV特性测试中,得到其在-200V偏压下器件的暗电流为~10-8A/cm~2量级。在X射线响应和带电粒子探测方面,用银靶产生的X射线对器件进行照射,测得其光暗电流比大于100;在241Am的能谱测试中,器件的能量分辨率为67.35%。上述结果表明本文采用双面离子注入方法制备的基于高阻Si C单晶的PIN型器件实现了良好的响应特性。
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