基于微沟槽结构4H-SiC+PIN型热子探测器设计研究.pdf

摘要

中子散射技术是研究物质微观结构的科学探测工具，在材料科学、核物理学、农

业、化学、生物医药以及工业生产等领域中发挥独一无二的作用，中子探测器是应用

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中子散射技术的核心设备。目前国内中子谱仪大多使用传统He管型气体探测器，其

技术成熟适用于大面积拼接，但能量和位置分辨率较为逊色，且长期受制于进口管

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控，而LiF/ZnS(Ag)闪烁体探测器涉及多次能量转换、光传递过程，能量损失显著而

限制能量分辨与探测效率。近年来，传统半导体材料如硅（Si）和锗（Ge）的工艺技

术已臻于成熟，通过增加中子转换材料厚度和与探测器的接触面积从而提升中子与转

换材料的反应概率。同时，出现在表面刻蚀微米级沟槽并填充中子转换材料的微结构

型探测器。但传统半导体受限于材料物理特性，在极端温度与辐照环境下表现出较大

性能波动。以碳化硅（SiC）为代表的第三代宽禁带半导体探测器应运而生，展现出高

稳定性、快响应速度和高能量分辨率。但国内半导体探测器在高质量晶圆制备与精细

刻蚀工艺方面，与发达国家相比仍存在一定差距，多聚焦于平面型结构设计，其结构

简单，且探测效率已逐渐逼近技术瓶颈。因此，提出微结构型4H-SiC探测器，在国内

尚处于模拟研究阶段，有望解决平面型探测器探测效率低的难题，为未来半导体中子

探测器领域开辟新的可能。

本文提出基于微沟槽结构4H-SiCPIN型中子探测器，具有微沟槽、深刻蚀、大灵

敏面积、较小漏电、抗辐照、耐高温、高能量分辨率和高探测效率等优点。本文采用

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4H-SiC衬底有效灵敏面积为25mm，在探测器制备中选择工艺简单且理论探测效率高

的沟槽型结构，首先模拟出沟槽最佳宽度与间距参数，并结合现实制造工艺水平与粒

子射程范围，选择沟槽宽度与间距10μm、深度50μm，通过中子与材料反应产生次级

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粒子能量大小确定LiF作为中子转换材料。器件整体采用PIN结型，结合次级粒子射

程，灵敏层设置为90μm，引入渐变空间掺杂工艺GDSM-JTE终端结构降低漏电，通

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过较为成熟且易于控制的ICP刻蚀工艺刻蚀出预设沟槽，液相离心法填充LiF粉末，

沉金于PCB板并焊微米级金丝作信号引线。测试结果显示0-1000V漏电小于80nA，0-

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100V电容稳定在22pA/cm，载流子密度分布均匀，说明探测器整体电学特性稳定。搭

建α粒子测试平台，为便于测试，设计小巧便携低噪声电荷灵敏前置放大器，放大倍数

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设置为100倍，示波器中清晰可见80mV脉冲信号，在温度敏感性测试10℃-50℃中，

相同时间内能谱采集装置记录的事件计数率差异性较小，反映探测器性能受温度影响

较小。在中国散裂中子源BL-20束线测试室内展开中子测试，实验结果显示，探测器

最高计数235cps，绝对中子探测器效率可达3.16%，高通量中子束流辐照24小时后，

测试α能谱峰位未发现明显位移，事件计数率下降0.6cps在理论范围内。结果表明，探

测器具有抗高温、抗辐照特性、高能量分辨率与高中子探测效率等，未来在中子谱仪

工程应用中有较大潜力，在新材料新能源、航空器材、高性能医疗器械、农机设备等

领域具有突出贡献。

关键词：4H-SiC，中子探测器，沟槽型微结构，PIN结，中国散裂中子源

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Abstract

Neutronscatteringtechnologyisascientificdetectiontoolforstudyingthemicrostructureofmatter,

whichplaysauniqueroleinthefieldsofmaterialscience,nuclearphysics,agricultura