基于GaN材料的脉冲辐射探测技术研究

GaN is a new generation of wide bandgap compound semiconductor material, GaN-based radiation detector has preeminent properties such as fast response time, high radiation resistance, low leakage current, and is suitable to work in harsh environment. It is one of the ideal devices used in intense pulsed radiation field detection, monitoring of radiation source and nuclear environment. Limited by the technique of high-quality GaN single crystal material growth, development of GaN pulsed radiation detector and GaN pulsed radiation detection technology has never been explored yet. This seriously impedes the development and application of GaN pulsed radiation detection technology. In this project, based on GaN single crystal material with low defect density, we develop current mode large area pulsed radiation detector of diameter above 20mm, study radiation detection technology used in intense pulsed radiation field systematically, and we also study the detection performance such as charge collection efficiency and time response simultaneously. This research will provide scientific basis for pulsed radiation technology using GaN material.

GaN是新一代宽禁带化合物半导体材料，基于GaN材料的辐射探测器件具有时间响应快、耐辐照能力强、漏电流小、可在恶劣环境中工作等卓越性能，是强流脉冲辐射场探测、辐射源监测、核环境监测的理想器件之一。然而，高质量GaN单晶材料生长工艺的制约，严重影响了GaN脉冲辐射探测技术的发展和探测器的应用，特别是GaN材料极化效应对器件工作机理影响的研究目前尚未见报道。本课题首次提出基于低缺陷密度的GaN单晶材料，研制直径20mm以上的电流型大面积GaN脉冲辐射探测器，系统开展其用于强流脉冲辐射场探测技术、器件电荷收集效率及时间响应等探测性能的研究，为GaN材料在脉冲辐射场探测提供科学依据。

本项目围绕大面积电流型GaN探测器研制，及其应用于脉冲辐射场参数测量所涉及的关键科学、技术问题开展系列研究。通过外协合作，采用应力控制技术和HVPE生长方法，本项目已获取直径2英寸，缺陷密度10^5以下的高质量GaN单晶衬底材料，材料各项性能指标达到国际先进水平。基于半绝缘GaN单晶材料，本项目成功研制了系列有效面积为直径10mm-30mm的电流型探测器，采用MSM（金属-半导体-金属）设计结构，利用多层金属工艺结合高温退火条件，在探测器两端形成欧姆接触。并针对GaN探测器应用于极端、复杂脉冲辐射场参数测量开展了理论预算和实验标定，研究探测器的伏安特性，对于γ射线、脉冲X射线、脉冲电子束、α粒子源等辐射的稳态响应、脉冲响应、综合性能等辐照响应特性，研究结果表明本项目研制的GaN探测器在600V偏压下漏电流为10pA，具有较低漏电流；对稳态60Co-γ射线的灵敏度为9.5 ×10^-18C·cm2/γ，600V偏压下电荷收集效率40%，信噪比200:1以上，验证了该类探测器适用于强流复杂辐射场测量和诊断；对δ脉冲电子源、重复频率亚纳秒硬X射线源的脉冲时间响应上升时间仅为1.1ns，半高宽为1.8ns，时间响应特性均明显优于同尺寸的Si-PIN、ZnO和CZT探测器，且时间响应结果不依赖于脉冲辐射粒子的（e，X）种类，验证了该探测器卓越的时间响应特性和脉冲辐射探测性能。此外，本项目开展极端、复杂场与探测灵敏物质相互作用的新效应、新规律研究，探索研究了瞬时、强流辐射作用下GaN材料内部的非线性内建电场分布、载流子输运、缺陷的俘获与去俘获等效应和规律，探索研究了GaN探测器在无源极化状态下工作机理与特性，研究结果表明GaN探测器在有源和无源状态切换时，暗电流呈现明显时间动态特性，且在断电的无源工作条件下，对紫外脉冲激光仍有响应，验证了该类探测器具有无源工作特性。