半导体SiC材料及像素探测器研究

发布时间：2020-06-13 16:56

【摘要】：近年来SiC材料被证实可应用于空间探测、核电站、核反应堆等高辐射、高温的极端环境,SiC辐射探测器在耐高温、抗辐照、不同能量粒子探测等方面也都进行了大量细致的工作。研究表明SiC探测器在α粒子、γ射线、中子、X射线都具有时间响应快、温度稳定性好和抗辐照能力强等优点。像素探测器由于具备高空间分辨率、低噪声以及辐射成像的特点,同时相比于传统单元探测器,它还具有对局部缺陷的良好耐受性,逐渐成为空间探测领域的研究热点。本文设计并制备了4H-SiC肖特基像素探测器,研究了其电学特性及对α粒子的探测性能,同时研究了基于4H-SiC探测器的中子探测和探测器的抗辐照特性。首先,采用化学气相沉积同质外延SiC薄膜,通过原子力显微镜和Raman光谱对样品进行表面形貌和晶体结构分析。结果显示不同的样品表面形貌基本相同,表现出较好的均一性,而且表面粗糙度可达3.91 nm;Raman光谱表明SiC薄膜具有单一的晶型且晶体质量良好,满足制备像素探测器的要求。根据金属半导体接触理论、工艺成熟条件以及肖特基二极管的热稳定性,确定了形成欧姆接触和肖脱基接触所需的电极材料,其中,欧姆接触电极材料为Al、Ti和Au,肖特基接触电极材料为Ni和Au。在此基础上制备了SiC像素探测器器件。然后,对像素探测器各个像素点的电学性能进行测试分析,通过正向I-V曲线计算得到各个像素的势垒高度和理想因子,并讨论各个像素的一致性和差异;通过反向I-V、C-V曲线得到了像素探测器各像素的漏电流、结电容等参数。采用能量分别为5.15 MeV(~(239)Pu)和5.48 MeV(~(241)Am)的辐射源对4H-SiC肖特基像素探测器各像素进行性能测试。研究了零偏置电压条件下各像素探测器测试系统输出的信号幅度、α粒子响应的能谱。并研究不同偏压下各个像素对两种能量的α粒子辐射源的能谱变化规律,在低电压条件下低能拖尾现象随着偏压的增加而逐渐消失,确定各个像素的全耗尽工作电压以及全耗尽情况下各个像素的能量分辨率。最后,提出采用~6LiF/4H-SiC对白光中子源进行测试评估,测试结果显示该4H-SiC探测器对白光中子源表现出较好的粒子探测及抗辐照性能;同时验证了4H-SiC辐射探测对长时间、高剂量的γ射线具有较强的抗辐照特性。在探测器经过连续照射94.3个小时,总剂量为1000 kGy的γ射线辐照实验后,相比于辐照前对α粒子响应能谱、α粒子分辨率及两个能量的全能峰面积均未出现明显的变化。
【图文】：

多型体,晶体结构,击穿电场,材料

来了积极意义。碳化硅材料特性.1 SiC 材料基本特性SiC 材料具有优异的电学特性和热学性能，首先它具有较大的禁带宽度（2.）、较高的击穿电场（0.8~3.0×1016V/cm）以及高的热导率（4.9 Wcm-1K-1），这以使 SiC 器件持续工作在高温、高功率和高频的特殊环境。SiC 材料的一个就是同质多型，按照不同的堆垛的顺序，将立方结构称为 3C-或β-SiC，六方为 2H-、4H-、6H-SiC 等，，目前可以由 Laue Pattern 区分 200 多种不同的 SiC另外立方和六方体中存在一些非平衡晶格：3C：立方位（k），4H：立方位（方位（h），6H：两个立方位（k1，k2）和六方位（h）。制备的 SiC 材料半导常用的晶体结构为 4H 型、6H 型以及 3C 型结构，如图 1.1 所示。由于 4H-S大的禁带宽度，更高的击穿电场（具体参见表 1.1），所以本论文制备的像素材料为 4H-SiC。

界面态密度,晶体结构

长春理工大学硕士学位论文240是受表面复合的影SiO2界面特性料由于受热而被氧化，所以可以作为制作金属-氧化物-半导体世纪初期，对 SiC 的热氧化就进行了研究。由于在体 4H-和 3C的电学特性及高电子霍尔迁移率，所以这两种材料很适合 MOS电场，SiC 上热生长的 SiO2质量基本与 Si 上的 SiO2层的质量相面处靠近导带边缘的高界面态密度，会使 MOSFET 沟道电子迁器件的性能。如图 1.2 所示，为 SiC/SiO2界面态密度 Dit由三种不
【学位授予单位】：长春理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN304

【参考文献】