碳化硅探測器的時間響應(yīng)研究

劉林月， 張建福， 李輝， 歐陽曉平

(西北核技術(shù)研究所 強脈沖輻射環(huán)境模擬與效應(yīng)國家重點實驗室，陜西 西安 710024)

半導(dǎo)體探測器被譽為固態(tài)電離室，具有高能量分辨、小尺寸和快時間響應(yīng)等優(yōu)勢，是用于中子及其次級帶電粒子探測的重要探測器[1]。傳統(tǒng)的硅和鍺探測器在輻射探測中發(fā)揮了重要作用，但分別存在抗輻照性能不理想(對快中子、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)體探測器在強輻射場環(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)體探測器一直是核探測器研究領(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、擊穿場強高、耐輻照等特點。SiC材料生長技術(shù)和器件制作工藝成熟度較高，探測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)體探測器的理想選擇之一。

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

在脈沖輻射場探測應(yīng)用中，探測器的時間響應(yīng)非常關(guān)鍵[15-17]?？鞎r間響應(yīng)的探測器有利于構(gòu)建快響應(yīng)的探測系統(tǒng)，在基于飛行時間方法的中子能譜探測和脈沖中子/伽馬信號甄別中具有重要意義。準確獲得探測器的時間響應(yīng)，是準確了解和掌握輻射場特性隨時間變化特征、實現(xiàn)脈沖輻射場特性診斷的前提，但碳化硅探測器的時間響應(yīng)特性未見系統(tǒng)研究報道。本文主要針對碳化硅薄膜探測器的時間響應(yīng)特征開展系統(tǒng)的理論計算和實驗研究。

1 時間響應(yīng)理論計算

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

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

探測系統(tǒng)的時間特性h(t)，是探測器的時間特性g(t)和射線源的時間特性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)為脈沖射線源信號的時間信息；g(t)為探測器的時間響應(yīng)信息；h(t)為輸出信號時間信息。

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

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

半導(dǎo)體探測器對全貫穿型輻射的時間響應(yīng)函數(shù)可用W.C.狄欽松模型[18-19]計算。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間效應(yīng)。碳化硅探測器對完全貫穿輻射的時間響應(yīng)計算公式為：

當0≤t≤te時：

當te≤t≤th時：

當t≥th時：

目前薄膜型碳化硅探測器多選擇垂直結(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)和相對介電常數(shù)(4H-SiC為9.7)；Sdet為平板面積，m2；Ldet為探測器靈敏區(qū)厚度，m。

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

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

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

2 時間響應(yīng)實驗研究

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

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

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

2.1 實驗系統(tǒng)

在超快X射線源、紫外激光源和電子源上，實驗研究了多種尺寸SiC探測器的時間響應(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)的時間寬度均小于0.5 ns，對時間響應(yīng)半寬3 ns以上的探測器均可等效為δ源。實驗中選用1 GHz帶寬示波器來記錄探測器的時間響應(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 實驗數(shù)據(jù)分析

2.2.1 大面積SiC探測器的時間響應(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探測器分別對不同超快射線束的時間響應(yīng)波形。200 V偏壓時，SiC探測器對脈沖X射線和脈沖紫外激光的響應(yīng)上升時間分別為9.4 ns 和 8.0 ns，響應(yīng)波形的半高寬均為84 ns；探測器對2種輻射響應(yīng)上升時間的不同可歸因于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，碳化硅探測器對超快電子束的時間響應(yīng)上升時間、半高寬和下降時間分別為3.38、52.5和120 ns，電子束的實驗結(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、可在探測器整個靈敏區(qū)內(nèi)激發(fā)出載流子，但是電子束實驗時探測器所加偏壓更高、載流子漂移速度更快，故時間響應(yīng)更快。

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

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

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

由于半導(dǎo)體探測器的時間響應(yīng)與探測器的等效電容有關(guān)，探測器的靈敏區(qū)越厚、電容越小、時間響應(yīng)越快。目前高電荷收集效率的碳化硅探測器多選擇同質(zhì)外延材料來制作，探測器靈敏區(qū)厚度最高可達百微米左右，選擇厚靈敏區(qū)材料研發(fā)了快時間響應(yīng)的碳化硅探測器。

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

探測器的時間響應(yīng)與探測器所加偏壓有關(guān)，圖7給出了響應(yīng)波形的半高寬和下降時間與偏壓的關(guān)系。偏壓低于200 V時，探測器的響應(yīng)半高寬大于30 ns；但當大于200 V時，響應(yīng)半寬會降低到3 ns內(nèi)，會隨著偏壓略微提升，但變化幅度小于20%。探測器時間響應(yīng)下降時間會隨著偏壓的升高，越來越快，偏壓從50 V提升到600 V，下降時間會從4.84 ns降低至3.34 ns。實驗中提高偏壓會增大探測器靈敏區(qū)電場強度、提高載流子漂移速度、降低載流子收集時間，進而實現(xiàn)探測器時間響應(yīng)性能的提升。

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

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

2.2.2 SiC探測器的時間響應(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探測器的時間響應(yīng)特性。表2列出了實驗獲得的多種尺寸碳化硅探測器的時間響應(yīng)參數(shù)，包括響應(yīng)波形的上升時間Tr、半高寬TFWHM和下降時間Td。實驗結(jié)果表明，靈敏面積越大、靈敏區(qū)厚度越小的探測器時間響應(yīng)越慢；反之，面積小、靈敏區(qū)較厚的探測器，時間響應(yīng)性能越快，這與前述理論分析結(jié)果基本一致。

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

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

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

圖8 碳化硅探測器下降時間與探測器等效電容的關(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器的時間響應(yīng)特性：采用W.C.狄欽松模型計算了大面積碳化硅探測器的時間響應(yīng)理論波形，計算結(jié)果與在超快脈沖輻射源上獲得的實驗結(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碳化硅探測器的快時間響應(yīng)特性，響應(yīng)上升時間和半高寬小于2 ns。

3)實驗研究了碳化硅探測器時間響應(yīng)的尺寸效應(yīng)，獲得了探測器時間響應(yīng)下降時間與探測器RC時間參數(shù)的經(jīng)驗估算公式。

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