基于石墨烯透明电极辅助作用的碳化硅辐射探测器的研究

The good application of silicon carbide radiation detectors in nuclear detection has received extensive attention. The traditional silicon carbide radiation detector uses the Schottky contacts between metal electrodes and semiconductors, which restricted the performance of detector such as effective detection area and resolution. For the first time, this project proposes the use of graphene as a transparent electrode instead of the traditional metal electrode, preparing a kind of silicon carbide radiation detector by graphene-assisted. Additionally, In-depth analysis of the mechanism of graphene on silicon carbide radiation detector, and the study of the performance of radiation detectors for different radiation sources such as leakage current, sensitive area, energy resolution, time response and energy response will be carried out, which provides a scientific basis for the application of graphene in silicon carbide radiation detectors.

SiC辐射探测器在核探测领域的良好应用得到了广泛的关注。然而传统的SiC辐射探测器采用金属电极与半导体的肖特基接触，制约了探测器的有效探测面积、分辨率等性能。本课题首次提出采用石墨烯作为透明电极代替传统的金属电极，研究制备一种通过石墨烯辅助的SiC辐射探测器，深入分析石墨烯对SiC辐射探测器的辅助作用机理，系统开展辐射探测器对于不同辐射源的漏电流、灵敏面积、能量分辨率、时间响应和能量响应等性能指标的研究，为石墨烯在SiC辐射探测器的应用提供了科学基础。

第三代半导体材料，具有禁带宽度宽、电导率高、击穿电场大、熔点高、电子饱和漂移速率快等物理特性。因此在辐射探测领域具有高稳定性、高能量分辨率等优势。其中碳化硅材料由于近几十年的快速发展，已经实现成熟的高质量材料制备工艺，为碳化硅辐射探测器奠定了良好的材料基础。但目前，基于碳化硅的辐射探测器尚处于研究初期，本项目主要围绕肖特基结型碳化硅辐射探测展开研究，针对肖特基结型器件、电极结构、介电插入层、石墨烯电极、灵敏面积等方面进行设计优化。研究Alpha粒子的探测能量分辨率以及探测时间的关键控制因素。首先，基于肖特基结型碳化硅辐射探测器，设计MIS器件结构，将介电层插入于金属电极和碳化硅之间，获得探测器漏电的有效抑制，通过平衡介电层漏电抑制效应和死层效应，同时实现器件暗电流减小和电荷收集效率提升。设计制备不同尺寸灵敏面积的碳化硅辐射探测器，针对5MeV Alpha粒子的探测，5mm×5mm 碳化硅辐射探测器，获得alpha粒子探测2.59%的高能量分辨率，实现适用于能谱型探测的碳化硅辐射探测器；20mm×20mm 碳化硅辐射探测器，针对10000计数实现171s的快速响应，适用于计数型探测的碳化硅辐射探测器。采用石墨烯电极，打破传统金属电极高温退火工艺对器件诱导掺杂的瓶颈问题。通过石墨烯/碳化硅异质结电场驱动作用，提高载流子分离效率，实现粒子探测的能量分辨率的有效提升。本项目按照计划顺利完成，执行期间共发表文章2篇，获批专利1项，申请专利1项，达到预期科研目标。