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利用制备好的SiC探测器开展温度实验和抗辐照性能实验。温度实验在环模箱中进行,调节不同的温度,在温度平衡后,使用Keithley6487皮安表进行探测器的I-V特性曲线测量。辐照实验利用60Co放射源对探测器进行辐照,在不同的剂量条件下测量探测器的漏电流。
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利用制备好的探测器,在实验室的环模箱中进行不同温度的I-V曲线测试实验,以研究SiC探测器正反向I-V特性的变化趋势。在25 ºC~150 ºC温度范围内调节环模箱的温度,当温度平衡后,测量SiC探测器的I-V曲线,25 ºC~150 ºC的正向I-V曲线结果如图2所示。
$$ I = A{A^ * }{T^2}\exp \left( - \frac{{q{\phi _{\rm B}}}}{{{k_{\rm B}}T}}\right)\left[\exp \left(\frac{{q(V - I{R_{\rm S}})}}{{n{k_{\rm B}}T}}\right) - 1\right] \text{,} $$ (1) 其中:A为肖特基接触的电极面积;$ {A^ * } $为有效Richardson系数(SiC为146 A·cm−2·K−2);$ {\phi _{\rm B}} $为肖特基势垒高度;n为理想因子;V为电压;$ {k_{\rm B}} $为玻尔兹曼常数;T为绝对温度;q为电子电荷;$ {R_{{\rm{S}}}} $为串联电阻。
在只考虑热电子发射机制的情况下,当$ V > 3{k_{\rm B}}T/q $,可以忽略串联电阻$ {R_{{\rm{S}}}} $对电流特性的影响,对肖特基势垒的I-V特性进行简化,简化式为
$$ I = A{A^ * }{T^2}\exp \left( - \frac{{q{\phi _{\rm B}}}}{{{k_{\rm B}}T}}\right)\left[\exp \frac{{qV}}{{n{k_{\rm B}}T}} - 1\right] \text{,} $$ (2) 得出理想因子的表达式为
$$ n = \frac{q}{{kT}}\left[ {\frac{{\partial V}}{{\partial (\ln I)}}} \right] \text{。} $$ (3) 对式(2)两边取对数得:
$$ \ln I = \ln A{A^ * }{T^2} - \dfrac{{q{\phi _{\rm B}}}}{{{k_{\rm B}}T}} + \dfrac{{qV}}{{{k_{\rm B}}T}} \text{,} $$ (4) 通过对lnI-V曲线拟合,即可求出肖特基势垒高度$ {\phi _{\rm B}} $。
根据式(1),计算拟合出不同温度下的肖特基势垒高度和理想因子,结果如图3所示。从图3中可以看出,随着温度的升高,肖特基势垒高度逐渐增加,而理想因子逐渐减小,说明在反向漏电流不显著增加的条件下,SiC探测器的性能随温度升高不会明显变差。
25 ºC~150 ºC的反向I-V曲线结果如图4所示,从反向I-V曲线可以看出,在≤105 ºC的时候,漏电流曲线几乎没有变化。如当偏置电压为−500 V时,温度从25 ºC上升到105 ºC过程中,漏电流的变化率为0.33%/ºC,远小于Si半导体探测器的漏电流随温度的变化率。
结合不同温度下肖特基势垒高度、理想因子的分析和在25 ºC~150 °C范围内的反向I-V曲线的测试结果,说明SiC探测器在25 ºC~100 ºC条件下均可以正常工作。
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不同探测器的耐辐照性能与费兰克尔缺陷有关。费兰克尔缺陷即当入射粒子与探测器相互作用后,获得能量的探测器晶格原子会离开其固有位置,作为新的受主和施主,成为具有新能级的俘获中心,但这将降低载流子的寿命,使探测器收集的电荷量受到影响。当入射粒子累积到一定量后,将会有辐照损伤效应产生。通常探测器的噪声将会增大,最终能量分辨率将变差,而能量分辨率是衡量探测器的关键指标。理论表明,探测器晶体原子的离位能与形成费兰克尔缺陷的概率负相关,SiC晶体的离位能是Ge晶体的1.5倍,是Si晶体的1.7倍[11],所以理论上认为SiC探测器较Ge、Si探测器而言,耐辐照性能会更好。
到目前为止,国内外的不同研究团队也展开了关于SiC探测器抗辐照性能的理论和实验的相关研究[12-21]。本辐照实验是在北京大学化学系完成的,采用的辐照源是60Co源,平均能量值为1.25 MeV,剂量率为50 rad/s。辐照试验在室温下进行,辐照过程中,在不同的辐照剂量下对SiC探测器进行在线和离线的正反向I-V测试,实验中最高累积总剂量为1 Mrad。在线测量是指在60Co源辐照时测量I-V特性,离线是指60Co源关停时测试。
不同累积总剂量下正反向I-V曲线结果如图5和图6所示,从图中可以看出,在不同总剂量辐照后,探测器的正反向电流没有明显变化,探测器的势垒高度和理想因子经过1 Mrad辐照后,均没有变化,显示了SiC探测器良好的抗γ辐照特性。
在辐照过程中,对探测器漏电流也进行了监测。图7和图8分别是γ射线辐照过程中,SiC探测器的正向和反向I-V特性曲线,从图中可以看出,γ射线辐照前和辐照累积剂量为0.2 Mrad后探测器的正向I-V特性没有明显变化,而γ射线辐照中和辐照前后探测器的反向漏电流则差别较大。这是因为γ射线辐照时,在SiC材料中均匀地激发电子空穴对,此时器件的反向漏电流主要由两部分构成,一部分为器件的反向漏电流,又称暗电流;另一部分为辐照生电流,后者可以等效为辐照在耗尽区和一个少子扩散长度以内的中性区中产生的空穴电流。从图8可以看出,辐照前后探测器产生的辐照生电流没有明显的变化,可知辐照后SiC外延层中的少子寿命没有明显的退化,即耗尽区中的复合电流没有变化。但对于辐照中的反向漏电流,随着反向偏压逐渐增大,在−80 V处出现拐点。而对于正向I-V特性曲线来说,施加的正向电压较小,材料中产生的电子空穴对运动很慢,很难被收集,因此辐照生电流较小,辐照中和辐照停止后的I-V曲线几乎重合。
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摘要: 针对极端环境下耐高温和耐辐照半导体探测器的研制需求,利用外延层厚度为100 µm的4H-SiC外延片通过欧姆接触和肖特基接触制备成肖特基二极管,封装成肖特基二极管探测器。在25 ºC~150 ºC的环境下,测量探测器的I-V特性曲线。结果表明,在温度≤105 ºC时,漏电流曲线变化较小。当偏置电压为−500 V时,温度从25 ºC上升至105 ºC,漏电流的变化率为0.33%/ºC。利用北京大学化学系60Co放射源对探测器进行辐照,对比总剂量1 Mrad的实验前、实验后的探测器I-V特性变化。结果表明,辐照前后探测器的漏电流无明显变化。Abstract: Schottky diodes are fabricated using 100 µm thick 4H-SiC epitaxial wafers with Ohmic and Schottky contacts, and packaged as SiC detectors to meet the requirements of high temperature and radiation environments. The current-voltage (I-V) curves are measured in the range of 25 to 150 ºC. The experimental results show that the leakage current changes very little when the temperature is less than or equal to 105 ºC. The change rate of leakage current is 0.33%/ºC, when the reverse bias is −500 V and the temperature rises from 25 to 105 ºC. The SiC detector is irradiated by 60Co source in Peking University. The I-V characteristics of the SiC detector are compared before and after the irradiation experiment with total dose of 1 Mrad. The experimental data indicates that the leakage current has almost no significant change.
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Key words:
- SiC detector /
- leakage current /
- radiation damage
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