具有浮动结调制的SiC中子探测器研究.pdf
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1、中国集成电路设计China lntegrated CircuitCIChttps:/(总第 290 期)2023 7 具有浮动结调制的 SiC 中子探测器研究韩超西安电子科技大学芜湖研究院摘要:碳化硅(SiC)具有禁带宽度大、临界位移阈能高、临界击穿电场强以及热导率高等特性,被认为是高能中子探测的优选材料。目前 SiC 中子探测器主要采用内含本征(intrinsic)层结构的 PN 结二极管(PiN)或肖特基二极管形式,其灵敏区结构简单,需要施加高的反偏压才能获得高的探测效率,而高反偏压常会带来可靠性问题。本文基于美国新思公司的 Sentaurus 计算机辅助设计技术(TCAD)工具进行数值仿
2、真,从灵敏区结构优化入手,研究了一种在灵敏区中内嵌浮动结(FJ)的 PiN 结构 SiC 中子探测器。仿真结果表明,浮动结的引入一方面能够优化灵敏区的纵向结构电场,使整体电场分布更加均匀,同时降低了近表面处的最大峰值电场强度,从而提高了探测器的工作可靠性。另一方面,浮动结能够加速灵敏区的耗尽,并在自身达到全耗尽的情况下,使探测器在较低偏压下实现电荷收集效率(CCE)的显著提升。关键词:SiC;中子探测器;全耗尽;浮动结;电荷收集效率Study on Floating-Junction-Modulated Active Volume forSiC-based Neutron DetectorHA
3、N ChaoXidian-Wuhu Research InstituteAbstract:Silicon carbide(SiC)has been considered as the preferred material for high energy neutrons detection dueto its superior properties,such as wide bandgap,high displacement threshold energy,high breakdown electric fieldand excellent thermal conductivity.Usua
4、lly,a quite high reverse bias is required to achieve high detection efficiencyfor a PiN or Schottky based detector involving a single epilayer acting as the active volume,however,inevitably result-ing in reliability issues in terms of extra leakage and premature breakdown induced by high field crowd
5、ing.In thispaper,a novel SiC PiN-type detector with floating junction(FJ)layer is proposed and investigated using numerical61CIC中国集成电路China lntegrated Circuit设计(总第 290 期)2023 7 https:/simulation.The introduction of FJ realizes a global homogenization of the electric field in the 100m-thick epilayer,
6、accompanied by an obvious reduction in maximum peak electric field near the surface.In addition,FJ can help tocreate a quicker depletion for the epilayer located below the FJ.It is qualitatively revealed that an approximately idealcharge collection efficiency(CCE)under a relatively low reverse bias
7、could be obtained for the FJ-PiN detector whenthe FJ itself is fully depleted,hence,promoting the reliability of SiC-based neutron detector.Keywords:SiC;Neutron detector;Fully depletion;Floating junction;Charge Collection Efficiency0引言半导体辐射探测技术在核能、放射医学、深空探测等领域有着重要的应用价值1。特别是在以磁约束聚变、惯性约束聚变为代表的新型氘氚热核聚变
8、能源体系建设中,基于半导体型的中子探测器技术是研究等离子体聚变反应最重要的诊断手段之一,能够实现对目标中子、约束/逃逸 粒子及背景 射线等进行高灵敏度、高能量/空间分辨率以及快速响应监测。然而,在诸如国际热核聚变实验堆(ITER)等大型磁约束聚变装置中,中子辐射率从氘氘运行时的 l08n/s 到氘氚反应时的 1020n/s,这比现有的中子标定源的强度高出大约 1010倍。系统要求中子诊断提供的聚变产出及其相应的时间演化信息相应的测量标定精度需优于 10%,且探测器性能不应出现明显退化。此时,传统的硅(Si)基半导体辐射探测器由于自身材料的抗辐射能力有限,很难在强中子辐射环境下可靠工作,其探测性
9、能将快速衰减,需要频繁进行更换。因此,选择抗辐射位移能力强、暗电流小、耐高温的宽禁带半导体材料制备辐射探测器,是聚变装置辐射探测技术发展的必然要求。碳化硅(SiC)材料具有优越的抗辐射特性,被认为是用于聚变产物特别是高能中子诊断理想的半导体探测器材料2-6。随着 SiC 材料及器件工艺的日渐成熟,各国科研团队对 SiC 辐射探测器的制备、不同场景下的探测能力以及探测器损伤和性能退化情况进行了广泛的研究。相比于传统的 Si 基探测器,SiC中子探测器具有更好的抗辐射、高温工作以及中子/射线分辨能力7。已有研究报道采用 PiN 结构的SiC 中子探测器能够实现对氘氚中子的高性能探测,通过对输出信号
10、进行能量沉积谱的标定,发现入射中子与 C 原子核反应产生 Be 核和 粒子的主反应特征峰12C(n,)9Be 的半高宽小于 3%8-9,反映出该探测器具有优良的探测能量分辨率。针对 SiC 中子探测器的性能优化,当前的研究主要集中在:1)针对特定粒子射程,设计相匹配的灵敏区厚度,以达到最大化的耗尽区载流子收集效果;2)通过合理的终端设计改善探测器器件的结电场集中效应,从而提高器件的耐压能力,确保探测器高压工作可靠性并提高能量分辨率10;3)改善灵敏区的外延材料质量,来提高辐生载流子的收集效率11。然而,这些探测器的主体结构仍是传统的 PiN 或肖特基二极管,其灵敏区由单一掺杂类型(一般为 N
11、型)的外延层构造而成。在反偏压下外延层逐渐耗尽,耗尽区起到主要的载流子收集器的作用。当探测对象为高能粒子时,需要厚的耗尽区匹配粒子射程,而厚的耗尽区通常是通过提升反偏工作电压而获得。在这种情况下,反偏电压的提高会导致器件表面及结区附近的峰值电场强度同步增大,加剧了电场集中效应,增加了高电场诱导额外漏电、甚至器件提前击穿的风险,降低了探测器的工作可靠性。为了解决由于探测器灵敏区结构简单而产生的高压工作可靠性问题,本文设计了一种在灵敏区中内嵌浮动结(Floating junction,FJ)的 PiN 结构探测器,这种浮动结与灵敏区外延层的掺杂类型相反,因此在灵敏区内部形成了局部 PN 结,并借此
12、可调制62中国集成电路设计China lntegrated CircuitCIChttps:/(总第 290 期)2023 7 灵敏区的结构电场分布。我们通过 Sentaurus TCAD数值仿真对 FJ 作用机制进行了探究,验证了其对探测器器件峰值电场和电荷收集效率的改善。1基于半导体型的SiC 中子探测器的工作原理图 1 给出了 SiC 结型探测器的工作原理示意图。从中看出:工作机理。如图 1 所示,SiC 中子探测器常采用结型二极管结构,即肖特基结(与 PN 结相似)。其中,PN 结在实际应用中常采用 PiN 式结构,即采用低掺杂的 N 型层(i 层)作为灵敏区。在反偏压下,入射中子会损
13、失能量与 SiC 材料发生核反应,产生高能次级带电粒子,这些次级带电粒子进一步在器件内损失能量并激发产生电子空穴对12。电子空穴对主要在耗尽区电场的作用下被分离,分别向阴极与阳极运动,并引起两侧电极感应电荷的变化,外围电路测试系统通过测量二极管输出的电流或电压信号从而间接探测中子。激发载流子到达两侧电极的数量影响感应电荷的数量,从而影响探测器的输出信号。探测器输出信号的表征及其灵敏区厚度选择。其中,探测器输出信号的表征主要通过电荷收集效率(Charge Collection Efficiency,CCE)表征3,其采用电极处收集到的电荷量与待测中子在探测器内所产生的电荷量理论值之比来定量表达,
14、如式(1)所示。CCE=QMQ0=tendt0IdtEionq(1)式中,QM为探测器电极实际收集到的电荷量,Q0为中子在器件内产生电荷量的理论值,t0为中子探测的起始时间点,tend为中子探测的结束时间点,I为中子探测器输出的瞬时电流脉冲,Eion为待测中子在 SiC 材料中沉积的能量。为 SiC 材料中产生一组电子空穴对所需的能量,其典型值为 7.8eV;q 为一个电子所带的电荷量,其值为 1.60210-19C。另外,灵敏区厚度选择考虑的出发点:一是由于外加反偏压几乎全部落在耗尽区,这使得该区域中激发产生的电子和空穴在高电场下可快速分离,复合作用可近似忽略9。因此相比于中性区,耗尽区中辐
15、生载流子的收集效率更高。考虑到激发产生的电子空穴对数量与带电粒子在耗尽区中损失的能量呈正比,这意味着带电粒子在耗尽区损失的能量越多,探测器的输出信号电流或电压脉冲幅度也会越大。因此灵敏区厚度对探测器特别是高能粒子探测的CCE 影响很大。二是考虑到高能中子在 SiC 材料中的射程一般超过材料的可生长厚度,设计灵敏区厚度使其涵盖粒子射程是不现实的。因此,本文采用了研究者普遍选取的针对高能中子探测用的灵敏区厚度(如 100m),并在此基础上考察 CCE。2中子的能量沉积数据提取如图 2 所示,本文模拟探测粒子为 14MeV 中子,探测器材料选用常用的 4H 晶型 SiC,其中 4H 表示 C-Si
16、原子层的堆垛顺序为 ABAC/ABAC。首先,采用欧洲核子研究中心 CERN 开发的一种蒙特卡洛粒子输运模拟工具软件 FLUKA(FLUktuierendeKAskade)模拟 14MeV 中子在 100m 厚度 SiC 材料中的输运过程。模拟中子数量 5000000 个,利用平均能量沉积卡计算 SiC 中的中子能量沉积,计数归一到单个中子。图 1 SiC 结型探测器工作原理图63CIC中国集成电路China lntegrated Circuit设计(总第 290 期)2023 7 https:/图 3(a)常规 PiN 结构 SiC 中子探测器;(b)SFJ-PiN 结构 SiC 中子探测器
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