GaN核探測器輻照損傷機制研究

《GaN核探測器輻照損傷機制研究》是依託西安電子科技大學，由呂玲擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：GaN核探測器輻照損傷機制研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：呂玲
• 依託單位：西安電子科技大學

中文摘要

寬禁帶半導體氮化鎵（GaN）因其良好的物理和化學特性，以及優異的抗輻照性能，成為新一代室溫核半導體探測器製備領域的熱門材料，尤其在強輻射場的探測方面頗具優勢。隨著GaN核探測器材料生長和工藝製備水平的日趨提高，可靠性問題必然提上日程，首當其衝就是輻照損傷機制研究。本項目立足於GaN核探測器，圍繞輻照缺陷對探測器影響展開攻關。通過實驗，得到GaN核探測器電荷收集效率、時間回響特性、能譜分辨本領等性能參數退化量與輻照能量、劑量之間的關係。深入研究輻照對GaN核探測器電學參數和1/f噪聲的影響，探討輻照引入表面態、深能級對探測器中非平衡載流子複合的作用機理。通過深能級瞬態譜和變溫光致發光譜表征手段，研究輻照在GaN核探測器及材料中引入的缺陷，分析缺陷類型、能級和俘獲截面。本項目在研究和抑制GaN核探測器輻照效應方面有重要科學意義，為器件結構和工藝設計者提供有力的參考和依據。

結題摘要

寬禁帶半導體氮化鎵（GaN）因其良好的特性和優異的抗輻照性能，成為新一代室溫核半導體探測器製備領域的熱門材料，尤其在強輻射場的探測方面頗具優勢。本項目立足於GaN核探測器，圍繞輻照缺陷對探測器影響展開攻關。 本項目完成了高阻HVPE GaN電導型核輻射探測器的研製，並且實現對X射線的超快回響。完成了GaN PIN電流型核輻射探測器的研製與測試，器件漏電為ps級，實現了對α粒子的回響。開展了GaN核探測器回響機理，得到不同反向偏壓下電荷收集效率和能量解析度的變化規律。 針對電導型核探測器，從表面形貌、晶體質量和發光特性三個方面，對質子輻照前後的HVPE GaN材料進行詳細表征。AFM顯示質子輻照後HVPE GaN體材料表面粗糙度略微增加。Raman測試結果表明，質子輻照對材料應力和摻雜均無影響，但是聲子模FWHM增加，說明中子輻照引起結晶質量的退化。XRD（0002）面2θ-ω掃描曲線FWHM增加，說明引入缺陷密度增加。PL光譜顯示，質子輻照後的材料黃帶略微增加，而藍帶顯著降低。我們認為黃帶和藍帶的變化是由於粒子輻照在材料中引入了Ga空位或者與Ga空位相關的絡合物缺陷。 針對PIN電流型探測器，主要研究了快中子和熱中子對GaN PIN結構的影響，從I-V、C-V、DLTS、1/f噪聲對輻射損傷進行詳細表征。顯微照片發現熱中子輻射對SiO2鈍化層造成嚴重損傷。低反向偏壓下，中子輻射載流子去除效應導致反向漏電減小；當反向偏壓低於-5V，反向漏電增大，這是由於鈍化層損傷、輻射在GaN中引入缺陷、以及金屬/GaN界面陷阱引起的；輻射引入複合中心導致正向漏電流的減小。 本項目獲得的GaN核探測器退化規律和輻射損傷表征、機理分析有利於指導器件在輻射環境中的套用。