耐高温耐辐照氧化镓基alpha粒子探测器的研究

High temperature and radiation-resistant semiconductor particle detectors have important applications in nuclear experiment, underground exploration, nuclear monitoring, neutron detection and other extreme environments. Currently, the Si and Ge semiconductor radiation detectors could not be used in high temperature environment due to its smaller band gap. The thermal excited carrier will be dominated with increasing temperature, which degraded the detection performance of the Si and Ge device. So, looking for a suitable wide band-gap semiconductor to fabricate alpha particle detector with good temperature and radiation hardness is still a challenge. At present, the widely investigated SiC, GaN and diamond materials have different disadvantages in fabricating alpha particle detector with good temperature and radiation hardness. In this project, we propose the use of the gallium oxide material with a band gap of 4.9 eV to fabricate the alpha particle detector. The MOCVD technique, combining with in suit surface modification of materials, will be used to fabricate the high quality epitaxial layer. The Schottky structure will be constructed to study the mechanism of interaction between gallium oxide and alpha particles based on a detection model. The p-GaN/i-Ga2O3/n-SiC structure pin particle detectors with good temperature and radiation hardness characteristics will be fabricated. This project provides a new approach in fabricating alpha particle detector with good temperature and radiation hardness. It has outstanding application value and important scientific significance.

高温耐辐照半导体alpha粒子探测器在核试验、地下探矿、核电监测及中子探测等极端环境中具有重要应用。目前已成熟的Si和Ge半导体辐射探测器，因材料禁带宽度小，导致高温下器件探测性能因热激发效应而显著下降。所以人们一直在寻找禁带宽度合适、易于制备、适于alpha粒子探测的宽带隙半导体材料。由于目前在研的SiC、GaN和金刚石等材料各自都还存在问题，为此我们提出采用带隙高达4.9eV的氧化镓材料制备alpha粒子探测器；采用MOCVD方法，结合原位材料表面改性技术，制备出高质量异质外延层；从工艺简单的肖特基结构入手，研究氧化镓与alpha粒子的相互作用机制，建立探测模型；进一步制备出基于p-GaN/i-Ga2O3/n-SiC结构的耐高温、耐辐照alpha粒子探测器。本项目的实施为制备出具有耐高温与耐辐照特性的半导体alpha粒子探测器提供了一条新的可行途径，具有重要的实用价值和科学研究意义。

半导体探测器以其能量分辨率高、能量线性响应度好、脉冲上升时间快和位置分辨率好等优点在军事、医学、食品、环保和安全检测等众多领域获得了广范应用。然而目前已有成熟的半导体辐射探测器所用材料的禁带宽度小，导致器件热稳定性不够理想，在一定程度上限制了这些半导体粒子探测器在高温高辐照领域里的应用。为此，研究制备基于宽带隙半导体alpha粒子探测器具有突出的现实意义和实用价值，同时具有重要的科学研究意义。氧化镓的禁带宽度高达4.9 eV、击穿电场可达3.5E6 V/cm。利用其制备而成alpha粒子探测器，具有耐高温、耐辐照特性。本项目主要研究了氧化镓基半导体与alpha粒子的作用机制、氧化镓薄膜MOCVD异质外延生长技术、氧化镓薄膜的高温稳定性、氧化镓薄膜的表面氮化改性技术、氧化镓器件制备的刻蚀工艺、氧化镓薄膜肖特基结型探测器的制备工艺及器件性能，以及氧化镓单晶肖特基结型探测器的性能和alpha粒子探测特性。初步建立了氧化镓基半导体对alpha粒子的探测模型；基本掌握了利用MOCVD方法在具有四方和立方晶体结构的衬底上外延生长氧化镓薄膜的技术，阐明了生长压强对外延生长氧化镓薄膜的择优取向性以及相转变的作用机制，并外延生长出具有较高结晶质量的大面积纯epsilon相氧化镓薄膜；明确了epsilon相氧化镓薄膜的耐高温极限为800℃；通过表面氮化改性技术在epsilon相氧化镓薄膜表面制备出网状结构的（002）面择优取向的氮化镓层；优化出一种基于SF6/Ar混合刻蚀气体的氧化镓刻蚀工艺参数；制备出两种基于氧化镓薄膜和一种基于氧化镓单晶的探测器。相关研究结果发表直接相关SCI检索论文6篇，获得直接相关授权发明专利4项，培养研究生6名。基金资助所获得的成果，不仅可以推进氧化镓辐射探测器的研制，而且可以作为重要的研究基础，支撑氧化镓基其他器件的研制，具有重要的科学意义和应用价值。