科学岛团队在半导体辐射探测器研制方面取得系列新进展

近(jìn)日(rì)，中(zhōng)国(guó)科(kē)学院合肥物质院核能安全所与南京大学、中国科学技术大学、中国科学院近代物理所、南华大学等单位合作(zuò)，在(zài)半(bàn)导(dǎo)体(tǐ)基辐射探测器研制方面取得系列新进展，相关成果发表在IEEE Electron Device Letters和Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A期刊上。

辐(fú)射(shè)探(tàn)测(cè)器(qì)是(shì)人(rén)类(lèi)认(rèn)识(shi)微(wēi)观(guān)世(shì)界(jiè)的(de)“眼(yǎn)睛(jing)”，可用于观察和研究核辐射和微观粒子，在基础研究、核能开发和核技术应用等领域具有不可替代的作用。但目前广泛应用的探测器存在灵敏度低或环境适应能力不足的问题，不能满足高温、强辐照环境条件下的应用需求。而采用基于宽禁带和超宽禁带材料的半导体基辐射探测器，具有耐高温、抗辐照、易集成等诸多优势，是近年来先进辐射探测技术研发的一个重要发展方向。

核能安全所科研人员基于宽禁带和超宽禁带材料的半导体基辐射探测技术，针对现有探测器存在的问题，优化了探测器的设计、制备工艺和测试方案，大大提升了辐射探测器的性能指标，取得系列研究成果。

科研人员制备了具有较低界面态密度和漏电流水平的大面积氧化镍-氧化镓（p-NiO/β-Ga2O3）器件，并耦合硼中子转换材料，得到了接(jiē)近(jìn)1%的(de)本(běn)征中子探测效率，完成了Ga2O3基辐射探测器用于热中子探测的首次实验验证，为极端恶劣环境条件下的中子探测技术发展进行了有益探索。

科研人员制备了具有超低掺杂浓度（<1×1014cm-3）和超厚外延层（80μm）结构的碳化硅肖特基（4H-SiC SBD）型探测器系统，该探测系统具有良好的线性响应，能量分辨率达到1%水平，可实现对12 MeV高能α粒子的完全能量(liàng)沉(chén)积(jī)，并(bìng)在(zài)80℃下(xià)长(zhǎng)时(shí)间(jiān)（24天(tiān)）稳(wěn)定(dìng)工(gōng)作(zuò)，为(wèi)极(jí)端(duān)条(tiáo)件(jiàn)下(xià)超(chāo)重(zhòng)元(yuán)素(sù)的(de)准(zhǔn)确(què)测(cè)量(liàng)相(xiāng)关工(gōng)作(zuò)提(tí)供(gōng)了(le)有(yǒu)力(lì)的(de)技(jì)术(shù)支(zhī)持(chí)。

该(gāi)研(yán)究(jiū)利(lì)用(yòng)氧(yǎng)化(huà)氮(dàn)（NO）退(tuì)火(huǒ)工(gōng)艺(yì)改(gǎi)善(shàn)SiC/SiO2界(jiè)面(miàn)，提(tí)高(gāo)了(le)探(tàn)测器性能，实现了较高的α粒子能量分辨水平（优于5‰@5486 keV）。进一步研发了基于硼中子转换层的新型热中子探测器，实现了热中子与硼核反应两个主要反应通道的良好区分，完成了该新型探测器对中子探测的原理验证。

图-1 Ga2O3器件实物、光学显微镜照片及结构示意图

图-2 4H-SiC SBD 器件的227Ac能谱（a）及线性响应（b）

图-3 NO退火工艺处理后4H-SiC探测器的239Pu-241Am源能谱