碳化硅自给能半导体探测器及中子束流反角监测装置的制作方法

1.本发明涉及一种中子束流监测装置，具体涉及一种碳化硅自给能半导体探测器及中子束流反角监测装置。

背景技术：

2.加速器中子源是指加速带电粒子(如氘、质子或其他离子)轰击一定的靶材时，可引发发射中子核反应的设备。与放射性同位素中子源相比，加速器中子源具有中子产额高、能量可调、可在广阔能区内获得单中子、能产生脉冲中子以及停止运行时没有很强的放射性等特点，因而在中子活化分析、中子测井、中子照相、中子辐射育种以及核医学等方面有着广泛的应用。在核科学技术中，核参数的测量、中子能谱测量与剂量仪表的刻度、堆用材料的屏蔽试验和其他核物理基础研究等工作也都离不开各种类型的加速器中子源。对核反应过程释放的中子注量率的准确监测是开展这些实验与研究工作的基础与重要保证。测量中子注量率的一种常用方法是基于中子核反应的伴随粒子法。在d-t聚变中子加速器中，d(t，n)4he反应产生中子的同时会伴随α粒子的产生，因此，可通过测量α粒子数确定中子注量率。该方法操作简便、测量精确度高、结果可靠。
3.目前，伴随粒子法中常用的半导体探测器是金硅面垒半导体探测器，该类半导体探测器能量分辨率高，计数准确可靠，但测试过程中复杂的辐照环境，使得该类半导体探测器的服役寿命短，这是因为带电粒子会在半导体探测器内通过电离和碰撞过程引入各种缺陷，进而会在禁带中引入深能级缺陷，导致半导体探测器暗电流增加、信噪比降低且能量分辨率变低，使得半导体探测器失效。
4.近年来研究发现宽禁带半导体探测器具有比硅半导体探测器和锗半导体探测器更强的抗中子辐照和抗α粒子辐照能力，选择采用碳化硅半导体探测器发展的加速器束流监测装置解决了半导体探测器服役寿命短的问题，但该方法中碳化硅半导体探测器无法实现自给能，前端监测装置需要额外供电且能量分辨率不理想。

技术实现要素：

5.本发明的目的是针对现有碳化硅半导体探测器无法实现自给能且能量分辨率不理想，使得前端监测装置需要额外供电的技术问题，而提供一种碳化硅自给能半导体探测器及中子束流反角监测装置，通过改进碳化硅半导体探测器的性能，进一步解决了自给能和高能量分辨率的问题。
6.为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：
7.碳化硅自给能半导体探测器，其特殊之处在于：包括sio2钝化层与从下至上依次堆叠设置的ni/au阴极、sic-n衬底、sic-n外延层、sic-n灵敏层、p区以及ni/au阳极；
8.sic-n灵敏层为台阶柱状结构；所述p区设置于sic-n灵敏层台阶柱上；
9.sio2钝化层分别设置在p区与sic-n灵敏层的外表面。
10.进一步地，所述sic-n外延层中n的浓度＜5
×
10
13
cm-3
；
11.p区的铝掺杂浓度为2
×
10
19
cm-3
，p区的厚度为0.3μm。
12.进一步地，所述ni/au阴极与sic-n衬底欧姆接触；
13.p区与ni/au阳极欧姆接触。
14.另外，本发明还提供了一种中子束流反角监测装置，其特殊之处在于：包括d粒子束流管道、靶室、氚靶、α粒子管道、碳化硅自给能半导体探测器及测量单元，以及上述碳化硅自给能半导体探测器；
15.α粒子管道的一端内部设置有碳化硅自给能半导体探测器，另一端设置有靶室，且α粒子管道与靶室连通；所述靶室内部远离α粒子管道的端部设置有氚靶；靶室、氚靶、α粒子管道以及碳化硅自给能半导体探测器同轴设置；
16.d粒子束流管道的一端用于接收来自加速器的d粒子束，另一端与靶室连通设置，且d粒子束流管道的中心轴线与氚靶的中心轴线夹角θ为90
°
、或135
°
或155
°
；
17.测量单元与碳化硅自给能半导体探测器电连接，测量单元用于对进入碳化硅自给能半导体探测器的伴随粒子产生的信号进行分析处理，得到伴随α粒子数。
18.进一步地，还包括多个限束光阑；
19.限束光阑设置于α粒子管道的内部，且位于靶室与碳化硅自给能半导体探测器之间；
20.多个限束光阑的中心轴线与碳化硅自给能半导体探测器的中心轴线均重合，多个限束光阑用于准直入射到碳化硅自给能半导体探测器上的α粒子。
21.进一步地，还包括设置于碳化硅自给能半导体探测器与限束光阑之间的铝箔，铝箔用于消除d粒子对测量结果的影响。
22.进一步地，所述限束光阑为2至6个；
23.铝箔厚度为2-7μm。
24.进一步地，所述d粒子束流管道的中心轴线与氚靶的中心轴线夹角为135
°
。
25.进一步地，所述测量单元包括前置放大器、主放大器、单道分析器、多道分析器与定标器；
26.前置放大器与碳化硅自给能半导体探测器电连接；前置放大器的输出端与主放大器的输入端电连接；主放大器的输出端分别电连接单道分析器的输入端与多道分析器的输入端；单道分析器的的输出端与定标器的输入端电连接。
27.与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
28.1.本发明碳化硅自给能半导体探测器，在中子束流反角监测装置前端工作时不需供电，其结构简单。灵敏区采用超低非故意掺杂n浓度(＜5
×
10
13
cm-3
)的碳化硅材料制备成的pin型碳化硅自给能半导体探测器，其内建偏置电压为2.1v，在零偏压下pin型自给能半导体探测利用该内建偏置电压可获得大于20μm的耗尽区宽度，零偏压可实现伴随α粒子探测。
29.2.碳化硅自给能半导体探测器的能量分辨率高，可实现伴随α粒子幅度谱测量结果中响应峰的高效甄别，利于实现高信噪比。
30.3.碳化硅自给能半导体探测器的死层薄、对待测α粒子的能量展宽小，待测α粒子能成功穿透碳化硅自给能半导体探测器的死层，进入碳化硅自给能半导体探测器的sic-n灵敏区，成功实现探测待测α粒子。
31.4.本发明采用的碳化硅自给能半导体探测器，其暗电流比传统硅碳化硅自给能半导体探测器的暗电流低1-2个量级，因此在中子注量率监测时可实现高信噪比。
32.5.本发明中的碳化硅自给能半导体探测器具有比传统碳化硅半导体探测器高4个量级以上的抗快中子和抗带电粒子辐照性能，具有更好的高温环境稳定性，在强辐射场和高温环境工作下性能稳定，可实现中子束流反角监测装置的长期可靠工作。
33.6.本发明可同时实现中子注量率和中子注量的有效监测。电子学系统中通过对单位时间间隔数据的存储和处理，可同时获得中子注量率和中子注量实时测量结果。
34.7.本发明适用于强辐射场应用。碳化硅自给能半导体探测器前端工作不需供电，选择较长的低损耗电缆连接碳化硅自给能半导体探测器和电子学系统时，可实现碳化硅自给能半导体探测器和电子学的分离设计，利于对后者进行有效屏蔽，更有利于强辐射的实际应用。
附图说明
35.图1为本发明碳化硅自给能半导体探测器及中子束流反角监测装置结构示意图。
36.图2为本发明碳化硅自给能半导体探测器的结构示意图。
37.图3为本发明碳化硅自给能半导体探测器及中子束流反角监测装置中，碳化硅自给能半导体探测器在零偏压下am-cm源α粒子幅度谱示意图。
38.图中附图标记为：
39.1-d粒子束流管道，2-靶室，3-氚靶，4-α粒子管道，5-限束光阑，6-碳化硅自给能半导体探测器,7-前置放大器,8-主放大器,9-单道分析器,10-多道分析器,11-定标器。
具体实施方式
40.下面将结合附图对本发明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的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的技术方案，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的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。
41.由于经加速器加速的d粒子束轰击在t-ti的靶标上，d与t反应产生14mev的中子和3.5mev的α(4he)粒子，其中，中子与α粒子一一对应产生，出射时间相同，出射方向相反，所以，通过对伴随α粒子的监测就可以追踪出射中子。于是本发明提供了一种碳化硅自给能半导体探测器及中子束流反角监测装置，其中碳化硅自给能半导体探测器包括从下至上依次堆叠设置的ni/au阴极、sic-n衬底、sic-n外延层、sic-n灵敏层、p区、ni/au阳极以及sio2钝化层；sic-n灵敏层为台阶柱状结构；所述p区设置于sic-n灵敏层台阶柱上；sio2钝化层分别设置在p区与sic-n灵敏层的外表面。
42.如图1所示，本发明还提供了一种中子束流反角监测装置，包括d粒子束流管道1、靶室2、氚靶3、α粒子管道4、碳化硅自给能半导体探测器6以及测量单元；
43.α粒子管道4的一端设置有碳化硅自给能半导体探测器6，另一端设置有靶室2，且α粒子管道4与靶室2的连通；靶室2内部远离α粒子管道4的端部设置有氚靶3；靶室2、氚靶3、α粒子管道4以及碳化硅自给能半导体探测器6同轴设置；
44.d粒子束流管道1的一端用于接收来自加速器的d粒子束，另一端与靶室2连通设
置，且d粒子束与氚靶3的中心轴线夹角θ为90
°
、或135
°
或155
°
。
45.测量单元与碳化硅自给能半导体探测器6电连接，测量单元用于对进入碳化硅自给能半导体探测器6的伴随粒子产生的信号进行分析处理，得到伴随α粒子数。
46.本实施例以d粒子束流管道1安装在与氚靶3呈135
°
方向上为例进行说明。
47.如图2所示，碳化硅自给能半导体探测器6包括依次堆叠设置的ni/au阳极、p区、sic-n灵敏层、sic-n外延层、sic-n衬底、sio2钝化层以及ni/au阴极；碳化硅自给能半导体探测器6包括ni/au阳极、ni/au阴极、p区、sic-n灵敏层、sic-n外延层、sic-n衬底以及sio2钝化层；p区、sic-n灵敏层、sic-n外延层依次设置在sic-n衬底上；p区远离sic-n灵敏层的一端设置有ni/au阳极；sic-n衬底远离sic-n外延层的一端设置有ni/au阴极；ni/au阳极、p区与sic-n灵敏层形成台阶柱结构，sio2钝化层覆盖设置在台阶柱结构的外表面上，使边缘电场分布均匀。
48.碳化硅自给能半导体探测器6为通过超低掺杂浓度的碳化硅材料制备成的pin型碳化硅探测器，在零偏压下具有大于α粒子射程的灵敏区宽度，可实现在无外加偏压时仍能形成有效电信号。碳化硅自给能半导体探测器使得中子束流反角监测装置前端工作时不需供电。碳化硅自给能半导体探测器6具有高能量分辨率，在零偏压下对α粒子的能量分辨率小于2％，能高效区分α粒子信号与干扰信号。
49.α粒子管道4内部设置有2个限束光阑5，且限束光阑5位于靶室2与碳化硅自给能半导体探测器6之间；2个限束光阑5的中心轴线与靶室2、碳化硅自给能半导体探测器6的中心轴线均重合，碳化硅自给能半导体探测器6前设置限束光阑5来进一步准直入射到碳化硅自给能半导体探测器6上的α粒子，进而减少散射α粒子的影响。
50.碳化硅自给能半导体探测器6前安置一片铝箔，铝箔位于碳化硅自给能半导体探测器6与限束光阑5之间，其厚度为2-7μm；铝箔用于消除d粒子对测量结果的影响。
51.本实施例中，α粒子管道4与碳化硅自给能半导体探测器6之间做绝缘处理，避免氘(d)粒子束流的影响。碳化硅自给能半导体探测器6在工作时，要设置好固定的立体角。立体角是由氚靶3到碳化硅自给能半导体探测器6之间的距离和碳化硅自给能半导体探测器6的前面α粒子管道4的准直孔大小决定的。
52.与碳化硅自给能半导体探测器6相连的测量单元包括前置放大器7、主放大器8、单道分析器9、多道分析器10和定标器11。前置放大器7与碳化硅自给能半导体探测器6电连接；前置放大器7的输出端与主放大器8的输入端电连接；主放大器8的输出端分别电连接单道分析器9的输入端与多道分析器10的输入端；单道分析器9的的输出端与定标器11的输入端相连。其中单道分析器9只能测量一个幅度间隔内脉冲数；多道分析器10可以同时测量多个幅度间隔内脉冲数；本实施例中同时设置了道分析器9和多道分析器10是对应着两种工作模式，本领域技术人员可以根据需要二选一。该测量单元的测量过程与现有分析处理系统的测量方法相同，用于对进入碳化硅自给能半导体探测器6的伴随粒子产生的信号进行分析处理，伴随α粒子进入碳化硅自给能半导体探测器6产生信号，经过分析处理系统进行分析并处理，得到伴随α粒子数。
53.在本发明的其他实施例中，若d粒子束与氚靶3所在轴线的夹角为90
°
或155
°
时，也可直接采用本发明碳化硅自给能半导体探测器及中子束流反角监测装置，只是在参数设置上进行相应调整即可。
54.另外，α粒子管道4的内部的限束光阑5一般可设置为2-6个，上述实施例设置为2个，只是一种优选方式，若将数量设置为6个，各限束光阑5的直径沿中子束流运动方向也是依次减小。
55.本发明使用的碳化硅自给能半导体探测器6采用pin型碳化硅探测器，如下是pin型碳化硅探测器的具体制备方法。
56.pin型碳化硅探测器的制备方法为：
57.(1)在sic-n衬底上表面利用化学气相沉积法制备同质外延得到sic-n外延层；
58.(2)利用化学气相沉积法在sic-n衬底上的sic-n外延层(sic-n灵敏层与sic-n外延层同源，是α粒子沉积的有效部分，属于sic-n外延层的一部分)上生长含铝的p区，其中，含铝的p区的铝掺杂浓度为2
×
10
19
cm-3
，p层厚度为0.3μm；
59.(3)清洗抛光sic-n衬底下表面，将其置于电子束蒸发平台上，在sic-n衬底下表面上制备出镍/金(ni/au)电极(ni/au阴极)，900℃真空退火得到下表面上的欧姆接触，再利用电镀法对欧姆接触进行加厚处理；
60.(4)清洗抛光同质外延表面，在清洗抛光后的同质sic-n外延层表面使用电子束蒸发平台制备50nm厚度的镍(ni)电极，并在900℃氩气中退火获得上表面上的欧姆接触，制作时可使用掩模版获得预设的电极图形，在接线盘处蒸发金(au)电极，并对金(au)电极进行加厚处理(ni/au阳极)，得到芯片；
61.(5)使用掩模版保护芯片正面接盘处，在芯片正面依次制作氧化硅(sio2)钝化层。
62.本发明上述实施例的工作原理如下：
63.经加速器加速的d粒子束经d粒子束流管道1进入靶室2，轰击在t-ti的氚靶3上，d与t反应产生14mev的中子和3.5mev的α(4he)粒子，其中中子与α粒子一一对应产生，其出射时间相同，出射方向相反，所以，通过对伴随α粒子的监测就可以追踪出射中子。出射的α粒子由限束光阑5准直后，到达碳化硅自给能半导体探测器6，为了减少散射d粒子对碳化硅自给能半导体探测器6的影响，在碳化硅自给能半导体探测器6前遮挡铝箔。由于该探测器采用超低非故意掺杂浓度(＜5
×
10
13
cm-3
)的碳化硅材料制备成，其内建偏置电压为2.1v，在零偏压下该内建电压可获得大于20μm的耗尽区宽度，即大于α粒子射程，因此可沉积全部的α粒子能量。α粒子穿透碳化硅自给能半导体探测器6的死层到达其sic-n灵敏区，并激发出电子空穴对，电子空穴对在内建电场的作用下向两级漂移，碳化硅自给能半导体探测器6获得电信号，利用该电信号可推导出中子的通量信息。
64.如图3所示，为一枚1cm
×
1cm
×
150μm碳化硅自给能探测器在零偏压下的阿尔法粒子幅度谱图，阿尔法放射源为
243
am-244
cm源。从图3中可以清楚的观察到两个不同能量下的全能峰，其中一个来自于5.28mev下
243
am的全能峰，分辨率为1.65％；另一个为5.8mev下
244
cm的全能峰，分辨率为2.15％。证明了本发明的碳化硅自给能半导体探测器6，可实现在零偏压下的高精度测试工作，即为自给能型探测器。

技术特征：

1.碳化硅自给能半导体探测器，其特征在于：包括sio2钝化层与从下至上依次堆叠设置的ni/au阴极、sic-n衬底、sic-n外延层、sic-n灵敏层、p区以及ni/au阳极；所述sic-n灵敏层为台阶柱状结构；所述p区设置于sic-n灵敏层台阶柱上；所述sio2钝化层分别设置在p区与sic-n灵敏层的外表面。2.根据权利要求1所述的碳化硅自给能半导体探测器，其特征在于：所述sic-n外延层中n的浓度＜5
×
10
13
cm-3
；所述p区的铝掺杂浓度为2
×
10
19
cm-3
，p区的厚度为0.3μm。3.根据权利要求2所述的碳化硅自给能半导体探测器，其特征在于：所述ni/au阴极与sic-n衬底欧姆接触；所述p区与ni/au阳极欧姆接触。4.一种中子束流反角监测装置，其特征在于：包括d粒子束流管道(1)、靶室(2)、氚靶(3)、α粒子管道(4)测量单元，以及权利要求1-3所述的碳化硅自给能半导体探测器(6)；所述α粒子管道(4)的一端内部设置有碳化硅自给能半导体探测器(6)，另一端设置有靶室(2)，且α粒子管道(4)与靶室(2)连通；所述靶室(2)内部远离α粒子管道(4)的端部设置有氚靶(3)；所述靶室(2)、氚靶(3)、α粒子管道(4)以及碳化硅自给能半导体探测器(6)同轴设置；所述d粒子束流管道(1)的一端用于接收来自加速器的d粒子束，另一端与靶室(2)连通设置，且d粒子束流管道(1)的中心轴线与氚靶(3)的中心轴线夹角θ为90
°
、或135
°
或155
°
；所述测量单元与碳化硅自给能半导体探测器(6)电连接，测量单元用于对进入碳化硅自给能半导体探测器(6)的伴随粒子产生的信号进行分析处理，得到伴随α粒子数。5.根据权利要求4所述的中子束流反角监测装置，其特征在于：还包括多个限束光阑(5)；所述限束光阑(5)设置于α粒子管道(4)的内部，且位于靶室(2)与碳化硅自给能半导体探测器(6)之间；所述多个限束光阑(5)的中心轴线与碳化硅自给能半导体探测器(6)的中心轴线均重合，多个限束光阑(5)用于准直入射到碳化硅自给能半导体探测器(6)上的α粒子。6.根据权利要求5所述的中子束流反角监测装置，其特征在于：还包括设置于碳化硅自给能半导体探测器(6)与限束光阑(5)之间的铝箔。7.根据权利要求4-6任一所述的中子束流反角监测装置，其特征在于：所述限束光阑(5)为2至6个；所述铝箔厚度为2-7μm。8.根据权利要求7所述的中子束流反角监测装置，其特征在于：所述d粒子束流管道(1)的中心轴线与氚靶(3)的中心轴线夹角为135
°
。9.根据权利要求8任一所述的中子束流反角监测装置，其特征在于：所述测量单元包括前置放大器(7)、主放大器(8)、单道分析器(9)、多道分析器(10)与定标器(11)；所述前置放大器(7)与碳化硅自给能半导体探测器(6)电连接；所述前置放大器(7)的输出端与主放大器(8)的输入端电连接；所述主放大器(8)的输出端分别电连接单道分析器(9)的输入端与多道分析器(10)的输入端；单道分析器(9)的输出端与定标器(11)的输入端电连接。

技术总结

本发明涉及一种中子束流监测装置，具体涉及一种碳化硅自给能半导体探测器及中子束流反角监测装置，解决现有碳化硅半导体探测器无法实现自给能且能量分辨率不理想，使得前端监测装置需要额外供电的技术问题。该碳化硅自给能半导体探测器包括SiO2钝化层与从下至上依次堆叠设置的Ni/Au阴极、SiC-N衬底、SiC-N外延层、SiC-N灵敏层、P区以及Ni/Au阳极；本发明还提供了一种中子束流反角监测装置，包括D粒子束流管道、靶室、氚靶、α粒子管道、碳化硅自给能半导体探测器及测量单元；D粒子束流管道的一端用于接收来自加速器的D粒子束，另一端与靶室连通设置。本发明的通过改进使得碳化硅自给能半导体探测器能够实现自给能和高能量分辨率。辨率。辨率。