当前，空间任务中半导体探测器被广泛应用于辐射检测与带电粒子测量中。同时，随着化学燃料引起的环境问题变得越来越严重，对核能发电厂等新型清洁能源的需求也越来越大。为确保核反应堆的安全，需要应用辐射探测器对辐射场进行监测。在上述应用中，辐射探测器面临着高辐射和极端温度的环境，而传统半导体探测器由于带隙宽度窄，在高温条件下会有很高的暗噪声，其耐辐照性能也不理想。国际上一直在寻找合适的硅和锗半导体的替代材料作为耐辐照、高温探测器。而第三代半导体材料SiC带隙宽（3.25eV）、晶体原子位移能量高、击穿电场值和热导率也很高。已有文献表明：SiC探测器对α粒子的响应在19~306℃内没有受到温度影响^[1]，也表现出较好的能量分辨率和较快的时间相应速度^[2]。同时，SiC探测器对中子、质子和γ射线都表现出很好的耐辐照特性^[3-7]。

为了验证自主设计和制备的4H-SiC肖特基二极管^[8]辐射探测器的抗辐照特性，本文完成了对外延生长厚度为21μm的肖特基型SiC探测器总剂量为1000kGy的⁶0Co辐照实验，分析了非电离能量损失（Non-ionizing EnergyLoss，NIEL）对探测器电学特性的影响，并对比了辐照后4H-SiC肖特基二极管探测器对α粒子在全耗尽电压下的能量分辨率。通过对比表明：尽管辐照前后探测器对α粒子在全耗尽电压下的能量分辨率没有明显变化，但在低能端出现了拖尾现象轻微的加重，这表明SiC肖特基二极管具有很好的耐辐照性能，但是在1000kGy的γ射线辐照后，会呈现轻微的辐照效应。

1、器件结构及实验测试系统

本次实验采用的4H-SiC肖特基二极管带电粒子探测器及结构示意图如图1所示。其中衬底为n型4H-SiC，掺杂数密度为5×1018cm−3，厚度约为370μm；作为灵敏探测器的n型外延层厚度为21μm，掺杂数密度为1×1014cm−3；衬底与外延层之间有0.5μm厚的n型缓冲层，掺杂数密度为1×1018cm−3，材料的掺杂元素为氮。欧姆接触电极金属为360nm厚的Al/Ti/Au；肖特基金属为120nm厚的Ni/Au，电极大小均为3mm×3mm。

图1  Au/Ni/n型4H-SiC肖特基二极管辐射探测器的原理图(a)和探测器的实物图(b)

辐照实验采用的辐照源为北京大学钴源室的60Co放射源，其射线能量分别为1173keV和1332keV，剂量率为176.7Gy∙min−1，连续照射94.3h，总剂量为1000kGy。图2（a）为辐照测试现场4H-SiC探测器及60Co等设备的具体摆放位置。我们搭建了基于KEITHLEY6487皮安表的伏安特性曲线测试系统，如图2（b）所示。采用核子仪器（Nuclear Instrument Module，NIM）能谱测试系统分析辐照前后探测器的能谱响应特性，测试系统主要由放置α粒子源和探测器的金属屏蔽盒、电荷灵敏前置放大器、高压电源、成形放大器、多道分析器以及与多道分析器连接的计算机组成，其中高压电源选用DW-SA102-1ACDE电源模块，电荷灵敏前置放大器选用ORTEC-142A，成形放大器选用ORTEC572A，成形时间设为1μs，多道分析器为美国Amptek公司的MCA-8000D，以上所有测试均在室温条件进行。

图2  辐照实验现场设备摆放图(a)和探测器电学测试系统结构图(b)

2、60Coγ射线引起的位移损伤

60Coγ辐照源广泛用于辐照效应研究。由于γ射线会在材料中产生二次电子，会使材料原子发生位移，所以电子引起受非电离能量损失（Nonionizing Energy Loss，NIEL）影响的位移损伤效应^[9−13]。位移损伤会影响光电器件的散射特性，如扩散长度、串联电阻和漏电流^[14−16]。与p-n结二极管不同，经辐照后肖特基势垒二极管的正向偏压特性的所有变化都是由串联电阻的这一变化来解释，由于辐射产生的缺陷消除载流子，导致的有效掺杂浓度降低进而引起的串联电阻的增加，使得正向电流减小；同时相较于p-n结二极管漏电流对少子寿命的依赖，在肖特基势垒二极管中探测器的漏电流不受位移损伤的影响，漏电流的大小主要是由材料本身的缺陷导致^[17]。对于SiC材料的平均γ-NIEL值，Onoda等^[18]给出了SiC平均γ-NIEL位移损伤剂量的计算方法，n型SiC的平均γ-NIEL值为15.78eVcm2∙g−1。

3、结果与讨论

3.1 正向I-V特性

辐射可以在带隙中产生具有能量状态的缺陷，这些能量状态将影响半导体器件的电学特性。如图3所示，本文测试了4H-SiC肖特基二极管探测器在辐照前后的正向I-V特性曲线。在1000kGy的吸收剂量下，正向电流下降明显，相较于辐照前，辐照后的正向电流降低了三个数量级，同时肖特基势垒二极管的开启电压降低，相较于辐照前减小了0.7V。如上所述，4H-SiC肖特基二极管经辐照后，辐照产生的缺陷使正向开启电压值及电流值均出现了一定的减小，这是肖特基二极管受位移损伤影响的典型结果。

图3  室温下辐照前后4H-SiC肖特基二极管的正向偏压特性

3.2 反向I-V特性

由于漏电流是决定探测器噪声大小的重要组成部分，也反应了探测器的性能，所以对探测器反向偏压特性的研究是极其重要的。如图4所示，本文测试了4H-SiC肖特基二极管探测器在辐照前后的反向I-V特性曲线。经过1000kGy的辐照剂量后，当反向偏压在0~120V时，观察到辐照前后漏电流变化不明显。在反向偏压为50V时，探测器的漏电流变化为4%；在反向偏压为80V时，漏电流变化为1.8%；在反向偏压为120V时，漏电流变化为2%。当反向偏压高于120V时，观察到在辐照前后探测器的漏电流发生明显变化，辐照后的漏电流值相比辐照前出现明显增长。当反向偏压为200V时，漏电流的变化为96%。这种变化可能是由于当反向偏压逐渐接近并高于肖特基二极管的阻断电压时，肖特基势垒降低，此时电场强度将施加到界面处，使得电流出现明显的变大，同时辐照在肖特基界面引入界面态缺陷，使该处的界面复合速度增加，载流子还未到达原来的扩散长度就被复合掉，复合速率的增加造成表面、界面漏电流的增加^[19−20]，从而导致探测器漏电流的增加。

图4  室温下辐照前后4H-SiC肖特基二极管的反向偏压特性

3.3 对α粒子的响应

随着偏置电压的增大，能谱中全能峰的位置对应的道数增大，即能够收集到的载流子数目增加，如果电压增大到一定值后能谱中全能峰位置对应的道数变化趋于稳定，即收集到的载流子数趋于饱和，可以认为此时探测器全耗尽。如图5（a）所示，当探测器不加偏压时，能起到一定的探测作用，但是探测性能很差。在零偏置电压下工作的探测器，对239Pu（5.15MeV）和241Am（5.48MeV）的α粒子并没有观察到两个明显的峰位。在肖特基接触的两端自发形成低电位，不足以构成使电荷载流子迅速运动的电场，因此α粒子在半导体中沉积能量产生的电子空穴对很容易被俘获和复合而损失掉，导致电荷收集不完全，电荷收集效率较低。同时，零偏置条件下耗尽区的厚度很薄，势垒电容很大，前置放大器输入级得到的信噪比很差，因此未加偏压的肖特基二极管不能作为探测器使用。

图5  室温下不同偏压下探测器对(239Pu、241Am)α粒子响应的能谱(a)和对(239Pu)α粒子的能量分辨率(b)

反向偏压从0~30V时，峰位随偏压的增大向高道址漂移，探测器的灵敏区厚度随偏压的增加而增大，探测器的电荷收集效率也逐渐增大；反向偏压在30~200V时，峰位不再随偏压增大而变化，即峰位达到饱和，偏压在30V以后，灵敏区厚度不再变化，α粒子在灵敏区中能量完全沉积，可以认定此时探测器的电荷灵敏区被完全耗尽。我们希望可以得到性能最优的工作电压。如图5（b）所示，利用高斯拟合得出不同偏压下对α粒子（239Pu）的能量分辨率，发现在偏压在40V时，探测器的能量分辨率最好，随着偏压的增加暗电流逐渐增大，能量分辨率也相比差了一些，所以选择40V为该肖特基二极管探测器的最佳工作电压。

如图6（a）所示，室温下偏置电压为40V时，探测器辐照前后对α粒子的响应能谱图。结果显示：辐照前后探测器对α粒子响应能谱中，239Pu（5.15MeV）和241Am（5.48MeV）两个全能峰的峰位对应的道址、半峰全宽（Full Widthat Half aximum，FWHM）及峰位高度均未出现明显的变化。为了更直观的体现辐照前后对α粒子响应能谱的变化，分别对辐照前后两个能谱图的两个全能峰进行了高斯拟合，结果如表1所示。

图6  辐照前后室温下40V偏压时探测器对α粒子响应的能谱(a)、对辐照前(b)及辐照后(c)室温下40V偏压时探测器对α粒子响应的能谱拟合图

表1  辐照前后探测器对α粒子的能量分辨率及全能峰面积

由表1可见，经过累计1000kGy剂量的辐照后，室温下偏置电压为40V时对4H-SiC肖特基二极管探测器对α粒子的能量分辨率的影响可以忽略。这主要是由于α粒子响应是在探测器载流子饱和状态下测试的，同时辐照后探测器的漏电流没有发生改变，能量分辨率应该是由SiC肖特基势垒探测器本身决定的，所以辐照后对α粒子响应的能量分辨率没有发生变化。

但如图6（b）和（c）所示，为了更加直观观察辐照前后能谱的变化，对图6（a）的数据进行了处理，结果显示辐照后能谱相对于辐照前能谱在低于全能峰的低能端，低能拖尾现象稍有增加。造成这种现象的原因由于入射的γ射线发生康普顿散射效应，产生的二次电子能够置换原子引起的位移损伤，从而造成材料内部缺陷稍有增加，引起载流子被收集过程被缺陷俘获，进而使得电荷收集效率的降低。

4、结语

本文介绍了辐照对外延生长的4H-SiC肖特基二极管探测器电学特性及对α粒子能谱响应的影响。当γ射线总剂量高达1000kGy时，由于辐照产生的位移损伤缺陷，引起有效掺杂浓度降低，进而导致串联电阻的增加，探测器的正向I-V特性电流值下降了三个数量级；反向I-V特性电流值没有明显变化。尽管探测器在辐照前后对α粒子响应能谱的分辨率没有变化，但是由于位移损伤的影响，辐照后全能峰的低能端出现了的拖尾现象稍有增加，探测器的电荷收集效率降低。

分析表明：本文通过外延生长的SiC材料制备的带电粒子探测器对60Co产生的γ射线辐照表现出一定的抗辐照性能，同时，由于高通量、高能γ射线产生的二次电子的NIEL效应，探测器内部有少量的位移损伤，本文介绍的外延生长肖特基型探测器的正向特征电流及电荷收集效率都出现了一定的变化，呈现了轻微损伤效应。

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