基于多孔硅的高效率中子探测器关键技术研究

The serious shortage of He-3 makes the new high-efficiency neutron detector technology research for He-3 replacement particularly urgent. Micro-structured silicon neutron detector(MSND) is a kind of high efficiency solid semiconductor detector with three-dimensional structure, which consists of high aspect ratio micron perforated silicon and solid neutron conversion material (high concentration 6LiF or 10B powder), with such a structure it can solve the problem of low detection efficiency（<5%） existed in the two-dimensional planar semiconductor neutron detector. To develop a prototype with the thermal neutron intrinsic detection efficiency greater than 50%, n/γ discrimination greater than 1e5，this project will focus on some critical technology problems such as the physical design of high efficiency MSND, dry etching with high aspect ratio, the fabrication of low leakage current semiconductor devices and neutron converter material backfilling, etc. The MSND with high efficiency , small size, fast response time , low power and the ability to integrate with readout electronics, can be widely used in neutron scattering studies, homeland security, inventory verification， neutron dose protection and other fields. Implementation of this project will lay the foundation for independent development and application of new MSND, and make contribution to 3He replacement.

He-3资源的严重短缺，使得替代He-3的新型高效率中子探测器技术研究尤为迫切。多孔硅中子探测器是一种具有三维结构的高效率固体热中子半导体探测器,它由高深宽比的微米多孔硅和孔内的固体中子转换材料(高浓缩度的6LiF或10B粉末)组成，这种结构能解决二维平面半导体中子探测器存在的探测效率较低（<5%）的问题。本项目将重点解决高效率多孔硅中子探测器的物理设计、高深宽比的干法刻蚀硅工艺、低漏电流的半导体器件制备以及致密中子转换材料填充等关键技术问题，从而实现热中子本征探测效率大于50%、n/γ甄别比大于1e5的原型样机研制。多孔硅中子探测器具有效率高、体积小、时间响应快、工作偏压低以及易于与读出电子学集成等独特优点，可广泛应用于中子散射研究、国土安全、军控核查以及中子剂量防护等领域。本项目的实施将为新型高效率多孔硅中子探测器国内自主开发与应用奠定基础。

本项目针对传统的平面型半导体中子探测器探测效率较低（极限≤5%）的难题完成了多孔硅中子探测器的设计、制作以及测试研究。采用Geant4程序完成了多孔硅中子探测器的物理设计，计算了圆孔的直径、孔的间距、孔的深度、6LiF填充密度以及甄别阈值等参数变化对热中子探测效率的影响规律。采用SRIM2011程序计算了α、T粒子在硅耗尽区中的能量沉积规律，计算了对137Cs源662keV的γ射线的n/γ甄别能力。计算结果表明多孔硅中子探测器的最优参数是圆孔直径为35μm、间距为5μm、孔深度为200μm时，当孔内填充密度为2.54 g/cm3、丰度为95%的6LiF粉末时，计算得热中子探测效率为31.51%（甄别阈值为300keV），对137Cs的n/γ比为2.4×105。采用干法刻法(ICP-RIE)成功实现高深宽比的多孔硅制备。采用钝化工艺处理的方式减少了多孔硅器件的表面态，从而明显降低了器件的漏电流，采用扩散工艺实现了多孔硅孔内的PN结形成。通过超声振动填充法、电子束蒸发填充法以及离心填充法三种方法对比研究发现离心填充法是多孔硅中子探测器6LiF填充的最佳方法，粒径在200~600nm范围内的6LiF粉末能实现较高密度且不易脱落的多孔硅内填充。对灵敏面积为1×1cm2（含包62001个圆孔）多孔硅中子探测器，在20V时全耗尽，其漏电流为2.48μA、结电容为110pF。完成了集成低噪声电荷灵敏前置放大器、主放大级与滤波降噪以及甄别成形等电子学模块的设计与制作，其功耗≤6mA，对241Am-α粒子的信噪比为23。利用241Am-α源获得了多孔硅半导体器件对α粒子的能谱，利用慢化后的252Cf中子源完成了多孔硅中子探测器的6Li(n,α)T核反应次级能谱与热中子探测效率的测试，并与6LiF厚度为4.9μm的平面硅PIN中子探测器进行了效率与次级谱的对比。本课题研制的多孔硅中子探测器在两层叠加的情况下获得了50.4%的热中子探测器效率。通过本项目的研究掌握了高探测效率、高伽马甄别能力、低功耗以及小体积的多孔硅半导体中子探测器技术，为其在弱辐射场下的中子强度、中子注量、中子剂量以及中子成像等应用奠定了基础。