一种基于SiC材料BJT结构能量收集单元的中子探测装置的制作方法

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：

1、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。

2、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。

3、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。

技术实现思路

1、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。

2、本发明的技术解决方案是：

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，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；

4、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；

5、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；

6、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；

7、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；

8、所述稳压保护电路包括稳压电容、电压成形电阻；

9、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；

10、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。

11、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。

12、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。

13、进一步地，所述数据采集设备为示波器。

14、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。

15、进一步地，所述辐射—带电粒子转换靶为锂玻璃。

16、本发明的有益效果：

17、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。

18、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。

19、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。

20、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。

21、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。