基于4h-sic的中子探测技术研究

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1、万方数据独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国工程物理研究院或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者姥昊硬签字醐∞舭年㈣，曰学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解并接受中国工程物理研究院研究生部有关保存、使用学位论文的规定，允许论文被查阅、借阅和送交国家有关部门或机构，同时授权中国工程物理研究院研究生部可以将学位论文全部或部分内容编入

2、有关数据库进行检索，可以影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。学位论文作者签名：鬈缮导师签名：签字日期：bf名年6月『1日签字日期：o。／(戽臼』『日万方数据基于4H-SiC的中子探测技术研究摘要

3、IIIIIInlIIIIIIIIIIIIIIIIIlUI一—Y邀_的墨8随着精密物理实验的开展，对用于中国快中子脉冲堆(CFBR．II)辐射场测量的中子探测技术提出了更高的要求。其中，狭小空间内中子场参数测量、中子能谱精确测量等方面的需求尤为迫切。面对这些迫切的需求，目前CFBR-II堆上常用中子探测技术表现出各自的局限性：塑料闪烁体探测器探头部分体积大，含氢元素多，对反应性干扰

4、大、气体电离室体积大，响应慢、硅探测器不耐辐照等，均无法满足上述任务需求。因此，亟需研发新型中子探测技术以满足上述精密物理实验的需求。碳化硅(Siliconcarbide。SiC)材料是近年来发展起来的一种宽禁带化合物半导体材料，具有位移阈能大、禁带宽度宽、饱和电子漂移速度高等优异性能，因此基于SiC的中子探测器具有体积小、抗辐照、耐高温、响应时间快等优点，可应用于强辐照场下的中子测量从而有望满足上述需求。基于4H-SiC的中子探测技术研究近年来在国际上逐渐成为研究热点，而国内在这方面尚处于起步阶段。本论文从探测器物理设计及割备、性能表征到具体中子场应用多个环节系统地研究了基于4H

5、．SiC的中子探测技术，实现了4H-SiC探测器制备，建立了探测器性能分析方法，揭示了其电荷收集率(Chargecollectionefficiency，CCE)在快中子辐照下的变化规律，掌握了4H．SiC夹心中子能谱仪实验技术并获得其关键性能指标，获得了4H．SiC中子探测器对稳态慢／快中子场探测性能，成功研制了针对CFBR-II堆脉冲辐射场狭小空间中子波形测量的4H．SiC电流型探测系统，从而为上述CFBR-II堆中子场测量难题提供了解决方案。为研究器件结构参数对4H．SiC探测器性能影响规律，结合半导体器件物理及Monte-Carlo模拟方法，分析了4H．SiC外延层物理参数

6、、器件电极结构对探测器能量分辨率和电荷收集率的影响，在此基础上结合国内目前工艺水平提出合理的设计。采用SiCCVD工艺完成4H-SiC同质外延生长并采用平面工艺实现大面积的4H—SiC肖特基二极管制备。采用热电予发射理论结合IV、CV分析获得所制备器件的势垒高度为1．66ev，理想因子1．07，反向偏压700V时漏电流仅21nA，器件性能达到国际主流水平。针对4H—SiC探测器电荷收集性能研究，建立了4H．SiC探测器电荷收集率测量方法，并采用241Am源研究了4H-SiC探测器对a粒子的电荷收集特性。当外加偏压为0V时万方数据基于4H．SiC的中子探测技术研究4H．SiC探测器对

7、3．5MeV伍粒子的CCE=48．7％，150V时即有CCE=99．40／0，具有理想的电荷收集特性。同时，利用临界装置产生的快中予场模拟4H．SiC探测器典型使用环境，研究了4H．SiC肖特基二极管经不同中子注量辐照后对241Am源值粒子的CCE变化特性。4H．SiC探测器的CCE随快中子辐照累积注量的增加而降低，当中子累积注量达8．26X1014n／cm2时4H-SiC探测器的CCE最高仍可达88．6％，表现出了极强的抗中子辐照特性。实验分析表明快中子辐照导致4H．SiC探测器外延层产生缺陷并趋于本征，外延层内载流子的迁移率．寿命积逐渐降低，从而导致CCE的下降。当8．26×1

8、014n／cm2快中子辐照后4H．SiC探测器(“D。=(1．3圭0．2)x10培cm2／V，(町)1l=(o．8士O．1)x10～cm2／V。为研究4H-SiC探测系统对重带电粒子的探测性能，利用226R．a源获得了4H．SiC探测系统对4．8川．7Mev能量范围内值粒子的能量分辨率在0．61％-0．9％范围内，能量线性度非常好(线性相关系数R=0．99999)，与成熟的si探测系统指标相当，达到了国际领先水平。对4H．SiC夹心中子能谱仪开展可行性研究，通过理论模