Temperature and Radiation Performance of 4H-SiC Detector

X射线探测技术广泛地应用于国防、航天、医学及工农业生产、空间科学和安全检测等领域。随着核电事业、空间探测研究的快速发展，对以高温、强辐射为典型特征的极端环境下X射线探测器提出了极为苛刻的要求。以SiC为代表的第三代半导体材料具有宽带隙、抗辐照性能优越、高击穿场强等优势，比目前成熟的Si探测器具有更好的耐高温和耐辐射性能，适用于高温、强辐射等极端环境下的X射线探测工作^[1-7]。因此，开展SiC探测器耐高温、抗辐射特性研究，对于解决极端环境下X射线的探测问题、扩展SiC等新型探测器的应用领域具有重要的意义。

基于实际探测环境对于SiC探测器的需求，本文拟开展SiC探测器的制备工作，并对其耐高温性能和抗辐照特性进行定量的实验研究。测量在不同温度下SiC探测器的正向和反向的I-V特性，在不同辐照剂量下测量SiC探测器辐照前、辐照中和辐照后的正向和反向的I-V特性，从而确定探测器工作温度范围以及工作环境照射计量。

基于Cree公司生产的研究级4H-SiC外延片制备SiC探测器。其外延层厚度为100 µm，衬底厚度为360 µm，外延层与衬底之间缓冲层的厚度为1 µm，衬底和缓冲层氮掺杂浓度均为10¹⁸ cm⁻³。经高频电容-电压(C-V )测试得到外延层净掺杂密度N_D = 2.903×10¹⁴ cm⁻³ 。

制备SiC探测器的关键步骤是形成良好的欧姆接触，即具有低的比接触电阻率和高稳定性，从而得到低的反向漏电流。金属/SiC欧姆接触的制备步骤包括：清洗SiC外延片、光刻、淀积金属、剥离、退火、电学测试等。本研究中采用湿法处理来去除SiC半导体的表面态；采用L-TLM模型设计的光刻掩膜版进行光刻制备，其中光刻工艺流程分为晶片预处理、涂胶、前烘、曝光、显影、后烘、去胶；利用自行研制的四靶磁控溅射镀膜仪系统，通过磁控溅射技术在SiC探测器衬底C面溅射100 nm厚的Ni膜实现金属沉积；同时，在超声清洗器中使用丙酮溶液去掉多余的金属，并将表面多余的部分剥离，然后在N₂气氛下进行快速高温退火处理，最终得到欧姆电极。之后在欧姆电极表面蒸镀6 μm厚的Au膜作为金属加厚层。采用与制备欧姆接触相似的处理工艺，在外延层Si面溅射100 nm厚的Ni膜后并在N₂气氛下进行快速退火处理形成肖特基接触。

在电极制备完成后，对SiC探测器进行封装。采用陶瓷PCB作为探测器基板, 背面欧姆接触通过Ag导电胶与PCB基板上的电极相连, 正面肖特基接触通过25 µm的金丝与PCB板的管脚通过超声波打焊相连。封装好的探测器如图1所示。

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。

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。

对于一般的肖特基接触，I-V关系^{[1, 8-10]}如下：

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

得出理想因子的表达式为

对式(2)两边取对数得：

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。

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几率负相关，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。

利用外延层厚度为100 µm的外延片，完成了金属/SiC的欧姆接触和肖特基接触；利用陶瓷PCB电路板，通过超声波打线实现了SiC探测器的封装。进行了不同温度下的实验，结果表明，随着温度的升高，肖特基势垒高度逐渐增加，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。利用⁶⁰Co放射源进行了探测器γ辐照实验，在不同的辐照剂量下对SiC探测器进行正反向I-V测试，实验最高累积剂量为1 Mrad。实验结果表明，在最高剂量为1 Mrad的辐照下，实验前后探测器的漏电流无明显的变化；但是在辐照过程中，探测器漏电流明显增加，主要贡献为辐照生电流。