近日，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)院核能安全所與南京大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、中國科學(xué)院近代物理所、南華大學(xué)等單位合作，在半導(dǎo)體基輻射探測器研制方面取得系列新進(jìn)展，相關(guān)成果發(fā)表在IEEE Electron Device Letters和Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A期刊上。

輻射探測器是人類認(rèn)識微觀世界的“眼睛”，可用于觀察和研究核輻射和微觀粒子，在基礎(chǔ)研究、核能開發(fā)和核技術(shù)應(yīng)用等領(lǐng)域具有不可替代的作用。但目前廣泛應(yīng)用的探測器存在靈敏度低或環(huán)境適應(yīng)能力不足的問題，不能滿足高溫、強(qiáng)輻照環(huán)境條件下的應(yīng)用需求。而采用基于寬禁帶和超寬禁帶材料的半導(dǎo)體基輻射探測器，具有耐高溫、抗輻照、易集成等諸多優(yōu)勢，是近年來先進(jìn)輻射探測技術(shù)研發(fā)的一個重要發(fā)展方向。

核能安全所科研人員基于寬禁帶和超寬禁帶材料的半導(dǎo)體基輻射探測技術(shù)，針對現(xiàn)有探測器存在的問題，優(yōu)化了探測器的設(shè)計、制備工藝和測試方案，大大提升了輻射探測器的性能指標(biāo)，取得系列研究成果。

科研人員制備了具有較低界面態(tài)密度和漏電流水平的大面積氧化鎳-氧化鎵（p-NiO/β-Ga2O3）器件，并耦合硼中子轉(zhuǎn)換材料，得到了接近1%的本征中子探測效率，完成了Ga₂O₃基輻射探測器用于熱中子探測的首次實驗驗證，為極端惡劣環(huán)境條件下的中子探測技術(shù)發(fā)展進(jìn)行了有益探索。

科研人員制備了具有超低摻雜濃度（<1×10¹⁴cm^-3）和超厚外延層（80μm）結(jié)構(gòu)的碳化硅肖特基（4H-SiC SBD）型探測器系統(tǒng)，該探測系統(tǒng)具有良好的線性響應(yīng)，能量分辨率達(dá)到1%水平，可實現(xiàn)對12 MeV高能α粒子的完全能量沉積，并在80℃下長時間（24天）穩(wěn)定工作，為極端條件下超重元素的準(zhǔn)確測量相關(guān)工作提供了有力的技術(shù)支持。

該研究利用氧化氮（NO）退火工藝改善SiC/SiO₂界面，提高了探測器性能，實現(xiàn)了較高的α粒子能量分辨水平（優(yōu)于5‰@5486 keV）。進(jìn)一步研發(fā)了基于硼中子轉(zhuǎn)換層的新型熱中子探測器，實現(xiàn)了熱中子與硼核反應(yīng)兩個主要反應(yīng)通道的良好區(qū)分，完成了該新型探測器對中子探測的原理驗證。

以上研究得到了國家重點研發(fā)計劃、國家重大科研儀器研制項目、安徽省重點研發(fā)計劃、先進(jìn)核能技術(shù)設(shè)計與安全教育部重點實驗室開放課題基金等項目資助。學(xué)術(shù)文章鏈接：

https://doi.org/10.1109/LED.2024.3522482；

https://doi.org/10.1016/j.nima.2024.169683；

https://doi.org/10.1016/j.nima.2024.170073；

https://doi.org/10.1016/j.nima.2024.170181。

圖-1 Ga₂O₃器件實物、光學(xué)顯微鏡照片及結(jié)構(gòu)示意圖

圖-2 4H-SiC SBD 器件的²²⁷Ac能譜（a）及線性響應(yīng)（b）

圖-3 NO退火工藝處理后4H-SiC探測器的²³⁹Pu-²⁴¹Am源能譜