[发明专利]一种应用于瞬发裂变中子铀矿测井的4H-SiC半导体中子探测器

说明书

本发明公开一种应用于瞬发裂变中子铀矿测井的4H‑SiC中子探测器，该探测器为肖特基结构，以n⁺型4H‑SiC晶体作为衬底，利用化学气相沉积技术在衬底的正面同质外延生长n^‑型4H‑SiC外延层；利用磁控溅射技术在衬底的反面和外延层一侧分别沉积多层金属和保护层并退火处理，形成欧姆接触和肖特基接触；最后利用光刻和磁控溅射技术在肖特基接触上溅射⁶LiF形成中子转换层。除了具有常规的半导体中子探测器的优点外，4H‑SiC中子探测器还具有体积小、n/γ甄别容易、抗高温、耐辐照的优点。本发明是一种探测效率高、计数率高的4H‑SiC中子探测器，适合于铀矿测井这种狭小空间、高温度和强辐射的环境。

技术领域

本发明涉及核辐射探测技术领域，尤其是应用于瞬发裂变中子铀矿测井的一种基于4H-SiC半导体的中子探测器。

背景技术

中子探测器是瞬发裂变中子铀矿测井的关键部件。基于第三代宽带隙半导体材料4H-SiC的中子探测器具有体积小、响应快、禁带能宽、能量线性度好、能量线性度高、位置分辨率好、抗高温和耐辐照等众多优点。相比于常规的半导体中子探测器、³He正比计数管、BF₃正比计数管和塑料闪烁体探测器，4H-SiC 中子探测器在瞬发裂变中子探测中具有无可比拟的优势。

基于硅(Si)、锗(Ge)和碲化镉(CdTe)、碲锌镉(CdZnTe)等常规半导体材料制备的中子探测器只能在常温或低温下保存和工作，同时辐射损伤会使其探测性能迅速变坏，因而不能应用于瞬发裂变中子铀矿测井这种高温度、强辐射等极端环境中的中子探测。

³He正比计数管、BF₃正比计数管作为两种气体探测器，体积大、反应慢、抗γ性能差，还不能满足高通量的应用需求，特别是³He气体还主要依赖于进口，所以研究可替代的新型热中子探测器是非常必要的。

塑料闪烁体探测器也应用于热中子探测，其缺点是体积大，含氢元素多，对反应性干扰较大，γ干扰大。

SiC晶体存在多种同质异型体，它们是在不同的物理化学条件下、不同的工艺过程中形成的结构不同、物理性质有差异的但是成分相同的晶体。在这些多型晶体中，4H-SiC晶体具有最宽的禁带宽度和最高的载流子迁移率，加上 4H-SiC晶体的生长工艺和器件制作工艺更加成熟，所以4H-SiC晶体更适合用来制作中子探测器。

除了具有常规的半导体中子探测器的高能量分辨率和高能量线性度的优点外，4H-SiC中子探测器还具有体积小、甄别容易、抗高温、耐辐照等优点，特别适合于瞬发裂变中子铀矿测井这种狭小空间、高温度和强辐射的环境。

这几年SiC晶体的生长工艺和器件制备技术有了很大发展，国内做4H-SiC 中子探测方面的研究比较少，这些研究也没有充分挖掘4H-SiC材料的性能，没有充分利用当前的生长工艺和器件制备技术。本发明根据瞬发裂变中子铀矿测井的要求，量身定做了4H-SiC中子探测器。

发明内容

本发明的目的在于提供一种应用于瞬发裂变中子铀矿测井的4H-SiC中子探测器，优化了4H-SiC中子探测器的物理设计、优化了晶体生长工艺参数和工艺流程，使它能应用于瞬发裂变中子铀矿测井，克服了传统半导体中子探测器、气体探测器和塑料闪烁体探测器的不足。

本发明的技术方案为：一种应用于瞬发裂变中子铀矿测井的4H-SiC中子探测器，该探测器为肖特基结构，该探测器的结构从下至上依次为Au保护层、 Ni金属欧姆接触、Ti金属、n⁺型4H-SiC衬底、n⁺型缓冲层、n^-型4H-SiC外延层、Ni金属肖特基接触、SiO₂保护层、Si₃N₄保护层、⁶LiF中子转换层。