面向空间应用的SiC基PIN型软X射线探测器研制

To meet the needs of X-ray exploration in future space mission, we propose to develop the cryogen-free and radiation-hardened high performance wide band gap semiconductor soft X-ray detector in this project. The SiC single crystal is used to fabricate PIN detector by ion implantation and semiconductor device processing technology. The usage of SiC single crystal as X-ray sensor is beneficial to improve X-ray absorption efficiency. So it can improve the detection efficiency. Using the AlN injection stopping-layer as well as the temperature gradient control technology, the loss of atoms will be restrained, the damage of ion implantation will be restore and the different activation conditions will be satisfied. Then, double protection structure of field plate and junction termination extension are prepared with the purpose to reduce the leakage current. After implementation of this project, the detection model will be set up, the device processing technology will be mastered and the electronic system will be developed. Finally, the high performance SiC-based PIN soft X-ray detector with high temperature and radiation resistance, high sensitivity, low background noise and good energy resolution will be successfully achieved. The results of this project will be a leap in semiconductor radiation detection technology, which promise a significant progress in the soft X-ray detecting ability in space.

本项目瞄准我国未来空间任务对X射线的探测需求，提出研制非制冷、耐辐照的高性能宽带隙半导体软X射线探测器。利用SiC单晶，结合双面离子注入，制备PIN结型探测器。以单晶作为探测灵敏区可以发挥其厚度优势，增大对软X射线的吸收率，提高探测效率。提出利用AlN作为离子注入阻挡层，结合温度梯度控制技术，抑制热激活过程中注入离子和碳化硅自身原子的流失，同时满足施主与受主的差异化激活条件，提升电学性能。设计并制备场板和终端拓展双重保护结构，降低泄漏电流，提高信噪比。通过本项目的实施，将建立SiC基PIN器件的软X射线探测模型，获得完整的器件制备工艺，开发出与之相适配的电子学部件，研制出具有耐高温耐辐照特性，灵敏度高、本底噪声低、能量分辨率好的SiC基PIN型软X射线探测器。本项目的研究成果将是软X射线探测领域的重要进展，对提高我国空间软X射线探测能力具有重大科学意义和实用价值。

基于软X射线波段的天文观测被认为是研究宇宙动态演化过程的必要方法，需要利用太空望远镜或探测卫星在空间进行观测，其核心探测部件一般为半导体探测器。半导体X射线探测器具有计数率高、响应时间快、能量分辨率好、体积与质量小、可大面积集成等优势。目前传统窄禁带半导体辐射探测器已经取得商业化应用，但其在工作温度和抗辐照特性方面存在天然瓶颈，为此本项目开展了具备耐高温抗辐照特性的宽禁带SiC基软X射线探测器的研制工作。主要研究内容包括基于6H和4H晶型碳化硅单晶的PIN器件研制和适用于宽禁带半导体辐射探测器通用电子学系统的设计与搭建。通过本项研究，建立了SiC基PIN探测器的软X射线探测理论仿真模型，设计和优化了基于高阻SiC单晶的双面离子注入工艺方法，掌握了施主和受主原子在热激活过程中的迁移特性和掺杂效果，揭示了探测器的载流子输运机制，获得完整的器件制备工艺，并开发出适配电子学部件，实现了对X射线的探测功能。在研期间发表学术论文7篇，获授权国内发明专利2项、美国发明专利1项，培养研究生8人，获大连市科技进步奖1项。本项目的研究成果对我国半导体核探测技术的发展和半导体探测器国产化具有科学研究意义和实用价值。