耐高溫耐輻照氧化鎵基alpha粒子探測器的研究

《耐高溫耐輻照氧化鎵基alpha粒子探測器的研究》是依託大連理工大學,由夏曉川擔任醒目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：耐高溫耐輻照氧化鎵基alpha粒子探測器的研究
• 依託單位：大連理工大學
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：夏曉川

項目摘要

高溫耐輻照半導體alpha粒子探測器在核試驗、地下探礦、核電監測及中子探測等極端環境中具有重要套用。目前已成熟的Si和Ge半導體輻射探測器，因材料禁頻寬度小，導致高溫下器件探測性能因熱激發效應而顯著下降。所以人們一直在尋找禁頻寬度合適、易於製備、適於alpha粒子探測的寬頻隙半導體材料。由於目前在研的SiC、GaN和金剛石等材料各自都還存在問題，為此我們提出採用帶隙高達4.9eV的氧化鎵材料製備alpha粒子探測器；採用MOCVD方法，結合原位材料表面改性技術，製備出高質量異質外延層；從工藝簡單的肖特基結構入手，研究氧化鎵與alpha粒子的相互作用機制，建立探測模型；進一步製備出基於p-GaN/i-Ga2O3/n-SiC結構的耐高溫、耐輻照alpha粒子探測器。本項目的實施為製備出具有耐高溫與耐輻照特性的半導體alpha粒子探測器提供了一條新的可行途徑，具有重要的實用價值和科學研究意義。

結題摘要

半導體探測器以其能量解析度高、能量線性回響度好、脈衝上升時間快和位置解析度好等優點在軍事、醫學、食品、環保和安全檢測等眾多領域獲得了廣范套用。然而目前已有成熟的半導體輻射探測器所用材料的禁頻寬度小，導致器件熱穩定性不夠理想，在一定程度上限制了這些半導體粒子探測器在高溫高輻照領域裡的套用。為此，研究製備基於寬頻隙半導體alpha粒子探測器具有突出的現實意義和實用價值，同時具有重要的科學研究意義。氧化鎵的禁頻寬度高達4.9 eV、擊穿電場可達3.5E6 V/cm。利用其製備而成alpha粒子探測器，具有耐高溫、耐輻照特性。本項目主要研究了氧化鎵基半導體與alpha粒子的作用機制、氧化鎵薄膜MOCVD異質外延生長技術、氧化鎵薄膜的高溫穩定性、氧化鎵薄膜的表面氮化改性技術、氧化鎵器件製備的刻蝕工藝、氧化鎵薄膜肖特基結型探測器的製備工藝及器件性能，以及氧化鎵單晶肖特基結型探測器的性能和alpha粒子探測特性。初步建立了氧化鎵基半導體對alpha粒子的探測模型；基本掌握了利用MOCVD方法在具有四方和立方晶體結構的襯底上外延生長氧化鎵薄膜的技術，闡明了生長壓強對外延生長氧化鎵薄膜的擇優取向性以及相轉變的作用機制，並外延生長出具有較高結晶質量的大面積純epsilon相氧化鎵薄膜；明確了epsilon相氧化鎵薄膜的耐高溫極限為800℃；通過表面氮化改性技術在epsilon相氧化鎵薄膜表面製備出網狀結構的（002）面擇優取向的氮化鎵層；最佳化出一種基於SF6/Ar混合刻蝕氣體的氧化鎵刻蝕工藝參數；製備出兩種基於氧化鎵薄膜和一種基於氧化鎵單晶的探測器。相關研究結果發表直接相關SCI檢索論文6篇，獲得直接相關授權發明專利4項，培養研究生6名。基金資助所獲得的成果，不僅可以推進氧化鎵輻射探測器的研製，而且可以作為重要的研究基礎，支撐氧化鎵基其他器件的研製，具有重要的科學意義和套用價值。