辐射测量中金刚石极化特性及其对电荷收集效率影响机理研究

Diamond detector is a new type wide-gap semiconductor detector, which has a fast response time, a low dark current, good radiation resistance, and is able to operate at radiation detection in high temperature and corrosive media, thus has promising application in deep space radiation detection, human dosimetry, intense radiation field detection, and so on. Restricted by present manufacture technology, wide-gap semiconductor materials are with high defect concentration, and derived nuclear detectors with visible polarization effect. It is found that the key characteristics of diamond detector such as charge collection efficiency (CCE) are difficult to acquire accurately in radiation detection for the impact of polarization effect, which restricts further development of diamond detector and advanced application in radiation measurement. In this project, lots of work focus on polarization effect will be proceed by analyzing material defects and radiation response characteristics, including discovering the impact mechanism and exploring the creation, development and extinction process of polarization effect. The relative radiation detection technology based on diamond detector will be studied too, such as the response to neutrons, gamma-rays, charged particles and so on. All the research will pave the way to the application of diamond detector in absolute measurement and shed some light on the study of radiation detection technology.

金刚石探测器为一种新型宽禁带半导体探测器，具有快响应、低噪声、耐辐照、耐高温、能在恶劣环境下使用等优点，在深空辐射探测、人体剂量等效监测、强辐射场探测等领域具有很好的应用前景。目前受材料制备工艺的制约，生长和制备的宽禁带半导体材料缺陷浓度高，基此发展的核探测器件存在明显的极化效应。在辐射探测中金刚石探测器的电荷收集效率（ＣＣＥ）等关键性能参数因受材料极化效应的影响而难以确定，影响了金刚石探测器在辐射探测中的进一步发展和应用。因此，本课题拟利用材料缺陷分析手段和辐射探测研究相结合的方式，研究极化效应的产生、发展、消除过程，以及极化效应对电荷收集效率等的辐射性能影响机制，研究基于金刚石器件的相关辐射探测技术，对金刚石等宽禁带半导体辐射探测技术的研究和应用具有重要参考价值。

金刚石探测器作为一种重要的新型宽禁带半导体探测器，具有耐辐照、耐高温、能在恶劣环境下使用等优点，在深空辐射探测、人体剂量等效监测、强辐射场探测等领域具有很好的应用前景，但因受极化效应的影响其电荷收集效率和响应灵敏度等关键参数在辐射探测中不断变化难以确定，探测器难以用于辐射绝对测量中。本课题通过材料缺陷分析、材料内载流子收集数值模拟和金属-半导体接触相结合的方式，研究了极化效应的产生、发展和消除过程，提出了在辐射探测器制作中如何有效地规避极化效应的影响，研制了基于金刚石的辐射探测系统和专用的电荷灵敏放大器，开展了辐射探测技术研究。项目主要的研究成果包括以下几个方面：. 分析了金刚石材料质量对极化效应的影响。金刚石内的晶界、杂质和缺陷等引入的缺陷中心会影响辐射引起的载流子在探测器内的漂移过程，引起载流子被俘获，进而引起极化效应。本项目通过材料的XRD、Raman、CL等分析手段表征了材料的缺陷；调研了高质量金刚石材料的生长工艺；利用自主研发的基于漂移扩散模型的半导体模拟软件GSRES对CVD金刚石材料内缺陷对载流子收集的影响机制开展数值模拟研究，模拟了带电粒子、重离子入射时电荷收集效率与偏压、入射深度、载流子寿命和探测器尺寸的关系。. 研究了金属-半导体之间的电接触对极化效应的影响。数值模拟结果表明，金属半导体接触在接触界面上可能产生的复合缺陷对载流子寿命的有影响，肖特基势垒高度的影响较小；尝试了多种金刚石上获得欧姆接触的工艺方法，石墨烯电极法制备的探测器接触电阻小、电接触性能好。. 极化效应的影响难以量化，但在实际工作中可在辐射探测器研制中通过以下手段尽量规避极化效应的不良影响：甄选高质量的“探测器级”金刚石材料（氮含量低、石墨相少、结晶好、载流子寿命长的单晶材料）；制作欧姆接触电极（类金刚石过渡层电极、石墨烯电极等）。. 研发制作了金刚石探测器，开展了探测器在X射线、γ射线、α粒子探测中的响应性能研究，获得了脉冲时间谱、响应灵敏度、带电粒子谱等，并为金刚石探测器研发了专用的电荷灵敏探测器。. 本课题研究了极化效应这一阻碍宽禁带半导体探测器应用的重要基础问题，对金刚石等宽禁带半导体辐射探测技术走向应用具有重要的推动作用。