一种双沟槽型碳化硅中子探测器

1.本发明涉及半导体中子探测领域，尤其涉及一种双沟槽型碳化硅中子探测器。


背景技术：

2.半导体中子探测器一般由中子转换材料和半导体二极管组成，由于中子不带电，因此在穿过半导体材料时不会发生电离反应，但是中子会与转换材料发生核反应而产生次级带电粒子，这些次级带电粒子在通过半导体二极管器件时可以电离出大量的电子空穴对，通过外接电极对这些电子空穴对进行收集便可以间接实现对中子的探测。中子探测器广泛应用于航天器上宇宙射线检测和辐射检测，以及对反应堆核材料的核功率测量和堆芯中子注量率的分布测量。
3.基于硅(si)、锗(ge)等常规半导体材料制备的中子探测器只能在低温或常温环境作业，同时辐射损伤还会降低其性能，因而不能应用于高温强辐射等极端环境中的中子探测。基于第三代宽带隙半导体材料4h-sic制成的中子探测器具有能量线性度好、禁带能宽、耐高温、抗辐射等众多优点。相比于3he正比计数管、塑料闪烁体探测器和常规的半导体中子探测器，4h-sic中子探测器具有无可比拟的优势。
4.平面型的碳化硅中子探测器由于中子转换材料的自吸收作用，导致中子探测效率不会高于5％。而沟槽型碳化硅中子探测器可以通过提升转换材料的填充量和次级粒子进入sic检测器中的概率，进而可以大幅提升中子探测效率。单沟槽型的碳化硅中子探测器可在单个元胞中刻蚀出多个宽度相同的沟槽，然后将中子转换材料填充到沟槽中，相比之下传统的单沟槽型结构中子探测器由于填充的中子转换材料单一，导致本征探测效率较低。


技术实现要素：

5.本发明提供一种双沟槽型碳化硅中子探测器，以克服传统单沟槽型结构中子探测器探测效率低的问题。
6.为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
7.一种双沟槽型碳化硅中子探测器，包括：4h-sic衬底、4h-sic外延层、离子注入形成的p

区、多个宽度不同的第一沟槽和第二沟槽；
8.所述4h-sic外延层在4h-sic衬底的上方，4h-sic外延层正面开设第一沟槽和第二沟槽，所述第一沟槽和第二沟槽交错排列；
9.所述离子注入形成的p

区在所述第一沟槽和第二沟槽的内壁、底面和台阶面上；
10.所述中子转换材料在第一沟槽和第二沟槽内。
11.进一步地，还包括p型欧姆接触电极和n型欧姆接触电极，所述p型欧姆接触电极在所述4h-sic外延层台面上的离子注入形成的p

区上方，所述n型欧姆接触电极在所述4h-sic外延层背面。
12.进一步地，中子转换材料包括
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b粉末和6lif粉末，
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b粉末在所述第一沟槽内，6lif粉末在所述第二沟槽内。
13.进一步地，所述第一沟槽的宽度范围为1-10μm，所述第二沟槽的宽度范围为10-50μm。
14.进一步地，所述第一沟槽和第二沟槽的深度均为25μm。
15.进一步地，所述第一沟槽和第二沟槽之间的4h-sic外延层的台面区域的宽度取值范围为1-10μm。
16.有益效果：本发明提出的双沟槽型碳化硅中子探测器，相较于传统的单沟槽型碳化硅中子探测器，充分利用了
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b和6lif与热中子发生核反应的特点，由于
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b的热中子捕获截面较大，但反应产物能量低且射程短，因此被填充在沟槽宽度较小的沟槽内部，既可保证中子的吸收量又可保证反应产物很容易就进入到sic检测器区域；在沟槽宽度较大的沟槽内部填充6lif材料是因为6lif与热中子的反应产物能量较大很容易进入到sic检测器区域。针对碳化硅只能做浅沟槽刻蚀技术现状下，双沟槽型结构相较于单沟槽型结构不需要增加沟槽深度就可使本征探测效率大幅提升。
附图说明
17.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
18.图1是现有技术中传统平面型碳化硅中子探测器结构示意图；
19.图2是现有技术中传统单沟槽型碳化硅中子探测器结构示意图；
20.图3是本发明的双沟槽型碳化硅中子探测器结构示意图；
21.图4是三种结构探测效率随着lld的变化情况示意图；
22.图5是三种结构探测效率的比较示意图；
23.图6是三种结构的能量淀积谱。
24.附图标记：1、4h-sic衬底；2、4h-sic外延层；3、离子注入形成的p

区；4、p型欧姆接触电极；5、n型欧姆接触电极；6、第一沟槽；7、第二沟槽。
具体实施方式
25.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
26.实施例1
27.本实施例提供了一种双沟槽型碳化硅中子探测器，如图3所示，包括：4h-sic衬底1、设置在4h-sic衬底1上方的4h-sic外延层2、开设在4h-sic外延层2正面的宽度为2.5μm的第一沟槽6和宽度为15μm的第二沟槽7，所述第一沟槽6和第二沟槽7交错设置，所述第一沟槽6内回填有中子转换材料
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b，所述第二沟槽7内回填有中子转换材料6lif；所述第一沟槽6和第二沟槽7的侧壁、底面及台面均有离子注入形成的p

区3；所述4h-sic外延层2正面台面上设有p型欧姆接触电极4，背面台面上设有n型欧姆接触电极5。
28.如图1所示为传统平面型碳化硅中子探测器，只在4h-sic二极管的正面淀积一层中子转换材料；
29.如图2所示为单沟槽型碳化硅中子探测器，只在4h-sic外延层2的正面进行等间距的沟槽刻蚀，然后将同一种中子转换材料回填到沟槽内；
30.相比于图1、图2中所示的平面型和单沟槽型碳化硅中子探测器，本发明提供的一种双沟槽型碳化硅中子探测器不仅能增加中子转换材料的填充量，还能在不同宽度的沟槽中回填两种中子转换材料，进一步提高本征探测效率。
31.实施例2
32.在本实施例中，如图4所示，采用蒙特卡洛软件geant4对图1、图2、图3这三种结构的中子探测器结构的本征中子探测效率进行仿真验证和对比讨论，以验证本发明提出的双沟槽型碳化硅中子探测器结构的优势。
33.在本实施例中，当取值为最佳方案：第一沟槽6的宽度为2.5μm、第二沟槽7的宽度为15μm、第一沟槽6与第二沟槽7的深度均为25μm、第一沟槽6与第二沟槽7之间的4h-sic外延层2的台面区域宽度为2μm时，平面型中子探测器的探测效率随着lld的变化最小，即稳定性最好；而双沟槽型中子探测器的探测效率随着lld变化最大，即稳定性最差。由于伽马射线和背景噪声的存在会对探测器的能谱测量结果造成干扰，但是在实际应用中通过将lld设置为300kev时就可以完全滤除掉这些干扰。此外当lld为300kev时双沟槽型中子探测器的拥有着最高的探测效率，显著的提升了器件的探测性能。
34.实施例3
35.在本实施例中，如图5所示，为三种中子探测器结构在lld设置在300kev时探测效率的比较，可以看出，当取值为实施例2中的最佳方案时，与平面型结构相比，单沟槽型探测器的中子探测效率提升了3.5％；而与单沟槽型结构相比，双沟槽型探测器的中子探测效率提升了4.6％。显然，本发明提出的双沟槽型碳化硅中子探测器可以有效提升探测效率；而且从碳化硅的工艺出发，深沟槽刻蚀是很难实现的，而本发明提出的双沟槽型结构可以在有限的沟槽深度内尽可能的提升中子探测效率。
36.实施例4
37.在本实施例中，如图6所示，为三种结构中子探测器的能量淀积谱。为满足动量守恒定律，热中子与中子转换材料发生核反应后的产物将以相反的两个方向喷射。因此对于平面型碳化硅中子探测器，每次核反应后只有一个次级粒子可以进入碳化硅区域并被检测到，而对于沟槽式碳化硅中子探测器，每次核反应后，两个次级粒子可以一起进入碳化硅检测器。结合图6的能量淀积谱可以发现，薄膜涂层探测器在2.05mev左侧可以看到明显的α峰，在2.73mev左侧可以看到明显的3h峰，能量截断值是能量较高的3h粒子的能量值。综上，单沟槽型探测器的计数在整个能谱上都高于薄膜涂层探测器，并且在能谱中有能量高于2.73mev的计数，是α和3h粒子一起进入碳化硅区域形成的高能峰。
38.与单沟槽型探测器相比，双沟槽型中子探测器的计数在低能区显著增加，在高能区仅略有下降，这主要是由于热中子和
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b的反应产物的能量较低，因此贡献了大量的低能范围计数。由于探测器的表面积固定为1x1cm2，所以插入
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b沟槽将导致6lif填充减少，使6lif与热中子之间的反应产物数量略有减少，从而导致高能区的数量略有下降。对于单沟槽型和双沟槽型碳化硅中子探测器，由于沟槽间隙较小，次级粒子只能将部分能量沉积在
碳化硅区域，导致在1mev以下的低能范围内出现大量计数，因此，当lld从0增加到1mev时，沟槽型探测器的检测效率将显著下降。此外，
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b沟槽的高热中子吸收截面会增加热中子的吸收概率，大幅增加低能区的计数，而仅略微减少高能区的计数，这也是双沟槽型碳化硅中子探测器的本征探测效率较单沟槽型结构有显著提高的本质原因。
39.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。