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金刚石探测器究竟有多强大?

发表时间:2022-08-05 14:18作者:化合积电网址:http://www.csmc-semi.com

随着我国航空航天事业的不断发展,对于宇宙的探测也达到了一个前所未有的高度,因此对于探测器的性能要求也越来越高。对于传统的SiGe等半导体探测器,由于材料禁带宽度较小,在高强度辐射恶劣环境中,晶格易受到辐射损伤,使掺杂浓度改变、探测器的漏电流和电容增加、电荷收集效率显著下降,无法满足高能量与剂量粒子与射线的灵敏、可靠探测,并且对于核技术领域快中子监测,需要探测器具有耐辐照、快响应和耐高温等特点。因此急需一种新型的高性能探测器来应对这个问题。


CVD金刚石具有大的禁带宽度(5.5 eV),高的电阻率(>1010Ω·cm),较小的介电常数(5.7),高击穿电压(107V/cm),高载流子迁移率(电子4 500cm2/Vs,空穴3800 cm2/Vs),极高的热导率(高达2200W/m·K),可以不需形成pn结即抑制漏电流,从而保证了金刚石探测器可以直接在高温和恶劣环境中可靠工作,且可以承受高工作电压(1000V外加电压下漏电流低于40 pA/cm2)、抗辐照能力强(低原子序数与强化学键使其具有强的耐辐照损伤)、电荷收集效率高、时间响应快(电荷收集时间比Si4)、信噪比高(721),所以其被认为是最有希望的探测器材料。

1 CVD金刚石探测器简图

在极端恶劣环境下,使用的自支撑CVD金刚石窗口测仪可探测到铍窗口无法探测的硼、碳、氮、氧、氟等轻元素发出的特征 X 光谱线,降低了工作危险系数。

对金刚石是否能应用于核子探测进行一系列探究实验:对采用最佳工艺制备的单晶金刚石材料经抛光、封装后成为探测器,并在坐落于广东东莞的中国散裂中子源上进行了中子束流测试。散裂中子源采用质子打靶产生中子,每隔40 ms加速器就会打出两个时间间隔410 ns的质子束团轰击钨靶,产生中子脉冲,中子脉冲具有与质子脉冲相同的时间结构,可以将质子打靶时间作为时间起点,测量出中子的飞行时间,从而得到精确的中子能量信息。

2   金刚石探测器中子束流测试

可以明显看到时间间隔410 ns的双束团结构。此外,在每一个主脉冲后面还可以看到一个高度较小的脉冲,这个脉冲对应的中子能量约为3 MeV。它的形成原因是由于C-12原子核对3 MeV的中子具有较高的散射截面(如图8(b)所示)。该反应截面为典型的(n, n)弹性散射反应,由于中子能量3 MeV,尚不足以进一步激发非弹性散射[25]。中子飞行时间谱结果表明当前的金刚石探测器对该能量的中子具有较高的探测效率,从而在飞行时间谱上产生一个共振峰结构。



此外,还研究了不同偏压对中子飞行时间谱的影响,如图3

3   探测器偏压对中子飞行时间谱的影响曲线图

由图:在不断增加偏压的过程中,由于探测器的电荷收集效率不断提高,中子探测效率和计数率都会得到显著提高,但是中子飞行时间谱没有明显的改变,说明中子飞行时间谱的测量具有较高的可靠性,受探测器波动的影响较小。以上结果表明,当前制备的金刚石探测器能够准确、稳定测量快中子飞行时间信息,可以满足快中子束流监测的需求。




化合积电采用最先进的MPCVD 装置,制备大面积高品质金刚石热沉片,热导率达1000-2000W/m.k,具有高厚度均匀性和高生长速率;使用研磨抛光专用设备,使CVD金刚石生长面表面粗糙度 Ra < 1 nm。化合积电始终秉承为客户提供“高质量、低成本、大面积的产品”理念,不断立足前沿技术,持续突破,引领金刚石热沉片的工艺革新方向,目前,金刚石散热产品和解决方案已在5G基站、激光器、高铁、新能源汽车、国防军工等领域应用,未来我们仍将继续进行产品研发和创新,为科技进步贡献新力量!


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