CN118151213A - 一种基于SiC材料BJT结构能量收集单元的中子探测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种辐射探测装置，具体涉及一种基于SiC材料BJT结构能量收集单元的中子探测装置。解决了现有BJT结构核辐射探测器存在抗辐射性能差、温度稳定性差、厚度大、抗干扰弱和信噪比较低的技术问题。本发明装置包括辐射—带电粒子转换靶、BJT结构半导体带电粒子能量收集单元、高压供电端子、电信号输出端子、入射窗、屏蔽外壳、稳压保护电路和数据采集设备；入射窗与屏蔽外壳合围成腔体，辐射—带电粒子转换靶、BJT结构半导体带电粒子能量收集单元设置在腔体内；辐射—带电粒子转换靶用于将中子转换成次级带电粒子，BJT结构半导体带电粒子能量收集单元结合稳压保护电路将次级带电粒子转换成电信号，再通过数据采集设备进行信号显示。
Description
技术领域
本发明涉及一种辐射探测装置，具体涉及一种基于SiC材料BJT结构能量收集单元的中子探测装置。
背景技术
中子是不带电的中性粒子，它通过物质时，不能直接引起物质的电离。因而对中子的探测，是通过中子与原子核的相互作用产生能引起电离反应的次级粒子被间接测量的。中子探测方法包括核反应法、核反冲法、核裂变法和活化法等。中子探测通过上述方法先转换成α粒子、裂变碎片等带电粒子或者光子，再由半导体探测器或闪烁体探测器收集能量并转换成电信号或光信号。自上世纪60年代以来，半导体核辐射探测器发展迅速，相较于气体电离室、闪烁体探测器等其他类型探测器，具有能量分辨率高、时间响应快等优点，在核辐射探测中发挥了重要作用。常见的半导体探测器有Si-PIN探测器、金硅面垒型探测器、高纯锗探测器等。由于单个射线粒子与半导体探测器作用产生的信号通常比较弱，往往需要加入前置放大器放大后再进行记录，然而，前置放大器的加入将会引入更多的噪声，并限制信号的带宽，甚至会因为前置放大器的引入而丢失重要的高频和低幅度信息，使低能量粒子的测量受到限制。
雪崩二极管探测器能够将辐射产生的载流子倍增几百倍，因此可以与隧道二极管配合使用，甄别能量低至0.6keV的X射线。但因其对不同能量的粒子显示出非线性响应、在探测器的入射窗上难以做到均匀倍增、工作电压较高且信号包含大量的雪崩噪声，使其在绝对测量上受到限制，应用范围有限。晶体管结构的探测器可以在较低的偏置电压下获得较高的增益，1987年，J.Kemmer和G.Lutz提出了DEPFET结构的耗尽型场效应晶体管探测器概念，该结构可以将电离辐射产生的电子空穴对中的多子聚集在晶体管沟道下面的电势谷中，并感应大约等量的电荷(放大倍数小于2)，以增加沟道电导及晶体管电流。晶体管结构的探测器主要应用在像素型位置探测以及存储器中。1990年，Horisberger提出了双极型晶体管(Bipolar Junction Transistors，BJT)辐射效应的概念。2005-2017年期间，在意大利教育大学和研究部资助下，有一些意大利高校的师生在Si基BJT的辐射探测研究上有了新的进展，研制成了可以应用于氡气监测的BJT探测系统。其响应时间在50μs以下，器件放大增益可以达到450倍。之前的增益型辐射探测器均是基于Si材料设计研制的，受限于Si材料的本征性质，基于Si材料制作的BJT结构探测器，在抗辐射性能、温度稳定性等方面存在瓶颈问题，因此并没有在辐射探测领域广泛应用。
近年来，在国际上开展了大量围绕SiC基新型辐射探测器的研究，材料生长技术和器件制作工艺日渐成熟。SiC材料核辐射探测器的结构主要集中于以下三种：半绝缘衬底制作的金属-半导体-金属结构(MSM)的本征型探测器、外延材料制作的PIN结构探测器和肖特基二极管结构(SBD)探测器。二极管探测器的响应时间可以控制到十几纳秒的水平，并且获得了十分有价值的辐射探测数据。SiC基光电晶体管近年来也发展迅猛，但核辐射探测器与光电探测器在设计和加工工艺上存在很大差异，目前还没有SiC材料应用于BJT结构核辐射探测器的报道。
发明内容
本发明的目的是解决现有BJT结构核辐射探测器，存在抗辐射性能差、温度稳定性差、探测器厚度大、抗干扰能力弱和信噪比较低的技术问题，而提供一种基于SiC材料BJT结构能量收集单元的中子探测装置。
本发明的技术解决方案是：
本发明一种基于SiC材料BJT结构能量收集单元的中子探测装置，其特殊之处在于：包括辐射—带电粒子转换靶、BJT结构半导体带电粒子能量收集单元、高压供电端子、电信号输出端子、入射窗、屏蔽外壳、稳压保护电路和数据采集设备；
所述屏蔽外壳的其中一端开口；所述入射窗设置在屏蔽外壳开口的一端，并与屏蔽外壳合围成腔体，所述入射窗用于辐射中的中子射入；所述入射窗和屏蔽外壳均采用金属材质；
所述辐射—带电粒子转换靶、BJT结构半导体带电粒子能量收集单元依次设置在腔体内靠近入射窗的位置，且二者与入射窗平行设置；
所述辐射—带电粒子转换靶用于将射入的中子转换成次级带电粒子，并将次级带电粒子射入到BJT结构半导体带电粒子能量收集单元内；
所述BJT结构半导体带电粒子能量收集单元用于对次级带电粒子进行能量收集以及将其转换成电信号，包括衬底、由内到外依次层叠在衬底一侧的集电极、基极、发射极和发射极电极，以及层叠在衬底另一侧的集电极电极；所述辐射—带电粒子转换靶位于入射窗与发射极电极之间；
所述稳压保护电路包括稳压电容、电压成形电阻；
所述高压供电端子和电信号输出端子分别固连设置在屏蔽外壳的外侧壁上；所述高压供电端子的输入端用于连接100-300V的正高压电源，输出端分别与集电极电极和稳压电容的一端连接；所述电信号输出端子的输入端分别与发射极电极和电压成形电阻的一端连接，输出端用于将BJT结构半导体带电粒子能量收集单元转换后的信号输出到数据采集设备中进行图像或波形显示；
所述稳压电容的另一端与电压成形电阻的另一端连接，稳压电容的另一端、电压成形电阻的另一端以及屏蔽外壳分别接地。
进一步地，所述发射极和衬底均为N型重掺杂SiC材料；所述基极为P型重掺杂SiC材料；所述集电极为N型轻掺杂SiC材料；所述发射极与基极形成第一PN结；所述集电极与基极形成第二PN结；所述发射极电极和集电极电极均为欧姆接触材料；所述第二PN结工作在反向偏置电压作用下，形成厚耗尽区；所述厚耗尽区包含整个集电极和基极靠近集电极的部分；所述第一PN结工作在正向偏置电压作用下，形成薄耗尽区；所述薄耗尽区包含部分发射极和基极靠近发射极的部分；所述厚耗尽区与薄耗尽区之间，在基极内部存在一个非耗尽的间隙，间隙的宽度小于电子和空穴在SiC中的扩散长度。
进一步地，所述发射极的掺杂浓度为(1±0.5)×1019cm-3，厚度为(1±0.2)μm；所述基极的掺杂浓度为(6±1)×1016cm-3，厚度为(0.45±0.05)μm；所述集电极的掺杂浓度为≤1×1014cm-3，厚度为(20～30)μm；所述衬底为掺杂浓度为1×1019cm-3的N型导通4度偏轴SiC衬底或高电阻4度偏轴SiC衬底，厚度为350μm；所述基极的面积≥1cm2；集电极的面积≥1cm2。
进一步地，所述数据采集设备为示波器。
进一步地，所述辐射—带电粒子转换靶为富含10B或者6Li的固体薄片材料。
进一步地，所述辐射—带电粒子转换靶为锂玻璃。
本发明的有益效果：
1、本发明一种基于SiC材料BJT结构能量收集单元的中子探测装置，采用BJT结构能量收集单元作为探测器核心部件，通过测量中子反应产物产生的次级带电粒子实现对中子的探测，次级带电粒子在探测器的耗尽层中进行能量沉积，并产生电子空穴对，在电场作用下通过晶体管效应实现内部电信号的增益，与PIN结构中子探测器相比，相同的面积和灵敏区厚度下，在绝大多数电子学系统噪声产生之前就放大了信号，增加了探测器输出信号幅度，提高了输出信号信噪比，降低了探测下限。
2、本发明一种基于SiC材料BJT结构能量收集单元的中子探测装置，可以在不损失响应速度的情况下提高信号幅度。从测量结果看，本发明半导体探测器与相同面积相同灵敏区厚度的SiC-PIN探测器响应速度相当。
3、本发明一种基于SiC材料BJT结构能量收集单元的中子探测装置，采用的SiC基BJT结构能量收集单元相较于Si基半导体探测器比如Si基BJT结构探测器和Si基二极管结构探测器，具备更低的探测暗电流。Si材料本征载流子浓度高、耐高压能力差。受耐高压能力限制，器件往往做得很厚，因此即使将结型器件灵敏区本征载流子耗尽，依然会有一个较大的漏电流，影响测量下限。在相同工作电压条件下，SiC耗尽区厚度可以比Si耗尽区厚度更薄。脉冲中子测量可用的SiC探测器灵敏区厚度一般为几十微米，而Si-PIN的厚度通常在250μm以上。本发明探测器厚度的大幅减薄使探测器体缺陷数量减少，体电阻更小，漏电流和噪声更小。从控制噪声的角度提高了输出信号信噪比，降低了探测下限。
4、本发明一种基于SiC材料BJT结构能量收集单元的中子探测装置，采用基于SiC材料研制的半导体能量收集单元，具有更高的抗中子辐照能力，SiC抗中子辐照能力较Si基探测器提高了4个量级以上，因此本发明探测器能够保证在较长时间使用过程中，探测器不会因为α重离子辐照而损坏。
5、本发明一种基于SiC材料BJT结构能量收集单元的中子探测装置，采用的SiC基BJT结构能量收集单元相较于Si基探测器耗尽区厚度更薄，因此对穿透能力较强的射线干扰，如β射线、γ射线等，能量沉积会更少，有更好的抗干扰能力。
附图说明
图1为本发明一种基于SiC材料BJT结构能量收集单元的中子探测装置实施例的结构示意图；
图2为本发明一种基于SiC材料BJT结构能量收集单元的中子探测装置实施例中BJT结构半导体带电粒子能量收集单元的结构示意图；
图3为本发明一种基于SiC材料BJT结构能量收集单元的中子探测装置的工作原理图。
附图标记如下：1-辐射—带电粒子转换靶、2-BJT结构半导体带电粒子能量收集单元、3-高压供电端子、4-电信号输出端子、5-入射窗、6-屏蔽外壳、7-稳压保护电路，8-发射极电极、9-发射极、10-基极、11-集电极、12-衬底，13-集电极电极。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明进行详细的说明。
本发明一种基于SiC材料BJT结构能量收集单元的中子探测装置，如图1所示，包括辐射—带电粒子转换靶1、BJT结构半导体带电粒子能量收集单元2、高压供电端子3、电信号输出端子4、入射窗5、屏蔽外壳6、稳压保护电路7和数据采集设备。屏蔽外壳6的其中一端开口；入射窗5设置在屏蔽外壳6开口的一端，并与屏蔽外壳6合围成腔体。入射窗5用于辐射中的中子射入；入射窗5和屏蔽外壳6一般采用铜等金属材料，并与地相连，用于阻挡伽马射线以及电磁辐射的串扰。
辐射—带电粒子转换靶1、BJT结构半导体带电粒子能量收集单元2依次并排设置在腔体内且二者与入射窗5平行设置，辐射—带电粒子转换靶1和BJT结构半导体带电粒子能量收集单元2分别靠近入射窗5设置。其中，辐射—带电粒子转换靶1位于入射窗5与发射极电极8之间，用于将射入的中子转换成次级带电粒子，并将次级带电粒子射入到BJT结构半导体带电粒子能量收集单元2内。辐射—光转换靶1是富含硼的同位素10B或者锂的同位素6Li的固体薄片材料，入射中子与10B或6Li反应产生次级带电粒子。辐射—光转换靶1的材料中能够与中子发生反应的物质仅有一种，以避免不同反应所产生的带电粒子发生相关干扰从而影响中子计数准确性。BJT结构半导体带电粒子能量收集单元2用于对次级带电粒子进行能量收集以及将其转换成电信号，结构参见中国专利申请号2022111666434公开的一种基于SiC的BJT垂直结构半导体辐射探测器，如图2所示，包括衬底12、由内到外依次层叠在衬底12一侧的集电极11、基极10、发射极9和发射极电极8，以及层叠在衬底12另一侧的集电极电极13。该探测器最核心的结构特征为设计有两个PN结，分别为，发射极9和基极10形成第一PN结，集电极11与基极10形成第二PN结。
稳压保护电路7包括高压供电端子3到地的稳压电容、电信号输出端子4到地的电压成形电阻和多个连接导线。高压供电端子3和电信号输出端子4分别固连设置在屏蔽外壳6的外侧壁上。高压供电端子3的输入端用于连接100-300V的正高压电源，输出端通过连接导线分别与集电极电极13和稳压电容的一端连接。高压供电端子3所加电压的大小为100-300V时，此时厚耗尽区可包含整个集电极11。如果高压供电端子3所加电压的大小低于100V，厚耗尽区可能不能包含整个集电极11，偏置电压过大会使得暗电流变大，影响测量结果的准确性，同时会增加基区穿通的风险。电信号输出端子4的输入端通过连接导线分别与发射极电极8和电压成形电阻的一端连接，输出端用于将BJT结构半导体带电粒子能量收集单元2转换后的信号输出到数据采集设备中进行图像或波形显示。稳压电容的另一端、电压成形电阻的另一端通过连接导线连接，稳压电容的另一端、电压成形电阻的另一端以及屏蔽外壳6分别接地。
本发明的工作原理过程参见图3，中子信号通过辐射—带电粒子转换靶1后产生次级带电粒子，然后入射到BJT结构半导体带电粒子能量收集单元2。高压供电端子3连接高压电源，为BJT结构半导体带电粒子能量收集单元2提供足以使集电极11耗尽的高压。例如，高压供电端子3连接高压电源输入200V电压。电信号输出端子4可以直接用同轴线缆连接到示波器或者其他其他波形数字化设备。
本实施例中，采用锂玻璃作为辐射—光转换靶1，锂玻璃中含有锂的同位素6Li，则有中子入射时发生如下反应，
N+6Li→α+3H+4.780MeV
其中，n为中子，α和3H为带电粒子产物。使用时，锂玻璃需要平行于入射窗5和BJT结构半导体带电粒子能量收集单元2，并固定于入射窗5与BJT结构半导体带电粒子能量收集单元2的发射极电极8之间。实施过程中锂玻璃和BJT结构半导体带电粒子能量收集单元2应紧贴放置。所携带的能量会大部分沉积在BJT结构半导体带电粒子能量收集单元2内部。高压供电端子3所加电压的大小为200V，到地的稳压电容采用1μF电解电容，到地的电压成形电阻采用100kΩ的电阻。电信号输出端子4接入示波器，示波器输入阻抗设置为50Ω，所用仪器和接线端子屏蔽层以及屏蔽外壳6同时接地。此时第二PN结工作在反向偏置电压作用下，形成厚耗尽区，厚耗尽区包含整个集电极11和基极10靠近集电极11的部分；第一PN结工作在正向偏置电压作用下，形成薄耗尽区；薄耗尽区包含部分发射极9和基极10靠近发射极9的部分；基极10的两个耗尽区间没有重合，厚耗尽区与薄耗尽区之间，在基极内部存在一个非耗尽的间隙，间隙的宽度小于电子和空穴在SiC中的扩散长度。一般通过增加偏置电压的方法来减小间隙宽度，增加放大倍数。通过调节偏置电压控制厚耗尽区和薄耗尽区的宽度实现间隙宽度的控制，电压逐步增大，耗尽区域增大，间隙就变小了。探测器将厚耗尽区作为探测灵敏区域，将沉积在这一区域的能量转化为载流子，并在器件内部实现载流子数量的倍增。
在材料方面，发射极9和衬底12均采用N型重掺杂SiC材料；基极10采用P型重掺杂SiC材料；集电极11采用N型轻掺杂SiC材料；其中，N型掺杂是在外延生长过程中掺入了一定浓度的氮离子，P型掺杂是在外延生长过程中掺入了一定浓度的铝离子。发射极电极8和集电极电极13均选用镍金材料使用欧姆接触工艺制作出欧姆接触薄层。发射极电极8表面除引线端子处，其他位置做了表面钝化处理。发射极电极8和集电极电极13的电极厚度为100至200nm，便于键合引线。其他实施例中，发射极电极8和集电极电极13也可为其他欧姆接触材料。各层浓度和厚度设计如下：发射极9的掺杂浓度为(1±0.5)×1019cm-3，厚度为(1±0.2)μm；基极10的掺杂浓度为(6±1)×1016cm-3，厚度(0.45±0.05)μm；集电极11的掺杂浓度为小于等于1×1014cm-3，厚度为(20～30)μm；衬底12为掺杂浓度是1×1019cm-3的N型导通4度偏轴SiC衬底或高电阻4度偏轴SiC衬底。本实施例中各层浓度和厚度分别为：发射极9的掺杂浓度为1×1019cm-3，厚度为1μm；基极10的掺杂浓度为5×1016cm-3，厚度0.5μm；集电极11的掺杂浓度为1×1014cm-3，厚度为30μm；衬底12的掺杂浓度1×1019cm-3，厚度350μm。本发明探测器通过SiC材料CVD外延生长技术制备形成，制得的探测器面积主要为基极10和集电极11的面积达到了1cm2以上，实现了大面积、高质量、低缺陷、均匀掺杂的SiC探测器的制作，进一步提高了探测效率和提升生产成品率。其中，通过CVD外延生长技术控制低缺陷密度可降低探测器的暗电流，使探测器暗电流控制在皮安量级，进行大面积均匀掺杂使探测器不容易损坏，提高了使用寿命。本发明探测器通过材料改进，选择在SiC材料进行不同浓度的掺杂，使探测器在初始材料性能方面进行改善，提高探测器的抗辐照性能、温度稳定性增强，延长使用寿命且降低了暗电流水平，满足辐射探测器的需求。
Claims (6)
1.一种基于SiC材料BJT结构能量收集单元的中子探测装置，其特征在于：包括辐射—带电粒子转换靶(1)、BJT结构半导体带电粒子能量收集单元(2)、高压供电端子(3)、电信号输出端子(4)、入射窗(5)、屏蔽外壳(6)、稳压保护电路(7)和数据采集设备；
所述屏蔽外壳(6)的其中一端开口；所述入射窗(5)设置在屏蔽外壳(6)开口的一端，并与屏蔽外壳(6)合围成腔体，所述入射窗(5)用于辐射中的中子射入；所述入射窗(5)和屏蔽外壳(6)均采用金属材质；
所述辐射—带电粒子转换靶(1)、BJT结构半导体带电粒子能量收集单元(2)依次设置在腔体内靠近入射窗(5)的位置，且二者与入射窗(5)平行设置；
所述辐射—带电粒子转换靶(1)用于将射入的中子转换成次级带电粒子，并将次级带电粒子射入到BJT结构半导体带电粒子能量收集单元(2)内；
所述BJT结构半导体带电粒子能量收集单元(2)用于对次级带电粒子进行能量收集以及将其转换成电信号，包括衬底(12)、由内到外依次层叠在衬底(12)一侧的集电极(11)、基极(10)、发射极(9)和发射极电极(8)，以及层叠在衬底(12)另一侧的集电极电极(13)；所述辐射—带电粒子转换靶(1)位于入射窗(5)与发射极电极(8)之间；
所述稳压保护电路(7)包括稳压电容、电压成形电阻；
所述高压供电端子(3)和电信号输出端子(4)分别固连设置在屏蔽外壳(6)的外侧壁上；所述高压供电端子(3)的输入端用于连接100-300V的正高压电源，输出端分别与集电极电极(13)和稳压电容的一端连接；所述电信号输出端子(4)的输入端分别与发射极电极(8)和电压成形电阻的一端连接，输出端用于将BJT结构半导体带电粒子能量收集单元(2)转换后的信号输出到数据采集设备中进行图像或波形显示；
所述稳压电容的另一端与电压成形电阻的另一端连接，稳压电容的另一端、电压成形电阻的另一端以及屏蔽外壳(6)分别接地。
2.根据权利要求1所述的一种基于SiC材料BJT结构能量收集单元的中子探测装置，其特征在于：
所述发射极(9)和衬底(12)均为N型重掺杂SiC材料；
所述基极(10)为P型重掺杂SiC材料；
所述集电极(11)为N型轻掺杂SiC材料；
所述发射极(9)与基极(10)形成第一PN结；
所述集电极(11)与基极(10)形成第二PN结；
所述发射极电极(8)和集电极电极(13)均为欧姆接触材料；
所述第二PN结工作在反向偏置电压作用下，形成厚耗尽区；
所述厚耗尽区包含整个集电极(11)和基极(10)靠近集电极(11)的部分；
所述第一PN结工作在正向偏置电压作用下，形成薄耗尽区；
所述薄耗尽区包含部分发射极(9)和基极(10)靠近发射极(9)的部分；
所述厚耗尽区与薄耗尽区之间，在基极(10)内部存在一个非耗尽的间隙，间隙的宽度小于电子和空穴在SiC中的扩散长度。
3.根据权利要求2所述的一种基于SiC材料BJT结构能量收集单元的中子探测装置，其特征在于：
所述发射极(9)的掺杂浓度为(1±0.5)×1019cm-3，厚度为(1±0.2)μm；
所述基极(10)的掺杂浓度为(6±1)×1016cm-3，厚度为(0.45±0.05)μm；
所述集电极(11)的掺杂浓度为≤1×1014cm-3，厚度为(20～30)μm；
所述衬底(12)为掺杂浓度为1×1019cm-3的N型导通4度偏轴SiC衬底或高电阻4度偏轴SiC衬底，厚度为350μm；
所述基极(10)的面积≥1cm2；集电极(11)的面积≥1cm2。
4.根据权利要求1-3任一所述的一种基于SiC材料BJT结构能量收集单元的中子探测装置，其特征在于：
所述数据采集设备为示波器。
5.根据权利要求4所述的一种基于SiC材料BJT结构能量收集单元的中子探测装置，其特征在于：
所述辐射—带电粒子转换靶(1)为富含10B或者6Li的固体薄片材料。
6.根据权利要求5所述的一种基于SiC材料BJT结构能量收集单元的中子探测装置，其特征在于：
所述辐射—带电粒子转换靶(1)为锂玻璃。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202410293709.9A CN118151213A (zh) | 2024-03-14 | 2024-03-14 | 一种基于SiC材料BJT结构能量收集单元的中子探测装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202410293709.9A CN118151213A (zh) | 2024-03-14 | 2024-03-14 | 一种基于SiC材料BJT结构能量收集单元的中子探测装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN118151213A true CN118151213A (zh) | 2024-06-07 |
Family
ID=91296211
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202410293709.9A Pending CN118151213A (zh) | 2024-03-14 | 2024-03-14 | 一种基于SiC材料BJT结构能量收集单元的中子探测装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN118151213A (zh) |
-
2024
- 2024-03-14 CN CN202410293709.9A patent/CN118151213A/zh active Pending
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