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刘林月， 张建福， 李辉， 欧阳晓平
(西北核技术研究所 强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室，陕西 西安 710024)
半导体探测器被誉为固态电离室，具有高能量分辨、小尺寸和快时间响应等优势，是用于中子及其次级带电粒子探测的重要探测器[1]。传统的硅和锗探测器在辐射探测中发挥了重要作用，但分别存在抗辐照性能不理想(对快中子、α粒子和裂变碎片的耐辐照上限分别为1012、1010、108cm-2)、需在液氮低温下工作使用不便等问题，制约了半导体探测器在强辐射场环境中的应用，研发抗辐照性能好、可工作在室温环境的半导体探测器一直是核探测器研究领域的重要基础问题[2-5]。
碳化硅(SiC)是Ⅳ-Ⅳ族二元化合物半导体，是第3代宽禁带半导体材料，具有禁带宽度大、热稳定性好、击穿场强高、耐辐照等特点。SiC材料生长技术和器件制作工艺成熟度较高，探测器制作涉及的大面积衬底制作、低掺杂外延生长技术、可靠的电接触工艺等问题均已解决。4H-SiC是用于制作半导体探测器的理想选择之一。
近年来，基于外延材料的碳化硅探测器发展较迅速，基于外延材料制作的P-I-N型探测器目前可实现：探测器灵敏面积(达4 cm2)和电荷收集效率(接近100%)与商用硅探测器可比、可室温工作和强抗辐照性能(对快中子和α粒子的抗辐照性能可达1014cm-2以上)，已成为中子和带电粒子探测的理想选择之一[6-14]。同时，这类探测器可实现几安培的最大线性电流，是脉冲辐射场探测可用的理想电流型探测器。
在脉冲辐射场探测应用中，探测器的时间响应非常关键[15-17]。快时间响应的探测器有利于构建快响应的探测系统，在基于飞行时间方法的中子能谱探测和脉冲中子/伽马信号甄别中具有重要意义。准确获得探测器的时间响应，是准确了解和掌握辐射场特性随时间变化特征、实现脉冲辐射场特性诊断的前提，但碳化硅探测器的时间响应特性未见系统研究报道。本文主要针对碳化硅薄膜探测器的时间响应特征开展系统的理论计算和实验研究。
半导体探测器的时间响应特性对脉冲辐射场诊断非常重要。基于飞行时间法的中子-γ联合诊断技术需要快响应的半导体探测器(如图1)。
图1 快响应探测器用于脉冲辐射场探测Fig.1 Fast response detector for pulse radiation field detection
探测系统的时间特性h(t)，是探测器的时间特性g(t)和射线源的时间特性i(t)共同作用的结果。三者的关系为：
h(t)=i(t)×g(t)
式中：i(t)为脉冲射线源信号的时间信息；
g(t)为探测器的时间响应信息；
h(t)为输出信号时间信息。
探测器的时间特性，一般不考虑传输系统及记录系统对时间响应的影响，只关心探测器的时间响应函数特征。响应函数g(t)与探测器厚度、电场分布、探测器的电容、辐射类型和入射方向、负载电阻和输出电流及环境温度等有关。
实际工作中，探测器的时间响应特性可由探测器在超快脉冲辐射(δ函数)激励下、经由快速信号传输记录系统获得的随时间变化的脉冲电流/电压波形给出。当测量所选的脉冲信号源产生的信号足够快、可以近似为δ源时，g(t)可以用h(t)近似获得。
半导体探测器对全贯穿型辐射的时间响应函数可用W.C.狄钦松模型[18-19]计算。全贯穿型辐射电离能力较弱，电离密度不大，不足以产生等离子体效应。因此，该模型假定载流子全部被收集，不考虑载流子的俘获和等离子体时间效应。碳化硅探测器对完全贯穿辐射的时间响应计算公式为：
当0≤t≤te时：
当te≤t≤th时：
当t≥th时：
目前薄膜型碳化硅探测器多选择垂直结构器件，其电容可按照下式估算：
式中:C为电容,F；
ε0、εr分别为真空介电常数(8.85×10-12F/m)和相对介电常数(4H-SiC为9.7)；
Sdet为平板面积，m2；
Ldet为探测器灵敏区厚度，m。
利用W.C.狄钦松模型计算了灵敏面尺寸为10 mm×10 mm和20 mm×20 mm、厚度分别为0.02 mm和0.03 mm的碳化硅探测器的时间响应特性，计算得到的时间响应波形如图2所示、时间特征如表1所示。探测器响应一般用响应波形的上升时间Tr、半高宽TFWHM和下降时间Td来表征。
图2 W.C.狄钦松模型计算的碳化硅探测器时间响应Fig.2 W. C. Dikinson model calculated silicon carbide detector time response
计算结果表明：在相同灵敏面积下，增加探测器的灵敏区厚度会增加响应上升时间，这是由于探测器响应上升时间主要受电子收集时间影响，增加灵敏区厚度会增加电子收集时间；
在相同灵敏面积下，增加探测器灵敏区厚度会使得探测器的时间响应更快，即可观察到更快的下降时间和更窄的响应半高宽；
在相同灵敏区厚度下，增加探测器的面积会引起时间响应性能显著变慢，这主要是受探测器等效电容的影响，器件面积越大、等效电容越大，RC时间常数越大，时间响应会越慢。
探测器的时间响应可通过测试其对超快脉冲射线源(可等效为δ脉冲)的输出响应来实验获得。通常需选择脉冲宽度比待测探测器响应时间小3～5倍以上的射线源、作为δ脉冲辐射源，选择快信号传输和记录仪器构建测试系统，实验测试探测器对δ脉冲源的时间响应波形。图3是脉冲测量系统示意图。
表1 碳化硅探测器时间响应特性参数Table 1 Time response characteristic parameters of silicon carbide detector
图3 脉冲测量系统示意Fig.3 Schematic of pulse measurement system
2.1 实验系统
在超快X射线源、紫外激光源和电子源上，实验研究了多种尺寸SiC探测器的时间响应性能。西北核技术研究所的亚纳秒X射线源(X射线平均能量约100 keV，平均脉宽500 ps)、超快紫外激光源(紫外激光波长355 nm, 脉冲宽度30 ps，单脉冲最大光功率约20 mJ)和皮秒电子源(电子源能量40 MeV，平均脉宽小于10 ps)的时间宽度均小于0.5 ns，对时间响应半宽3 ns以上的探测器均可等效为δ源。实验中选用1 GHz带宽示波器来记录探测器的时间响应波形，50 Ω的同轴电缆用于连接系统各部分，铜屏蔽壳和铜网被用作电磁屏蔽。
2.2 实验数据分析
2.2.1 大面积SiC探测器的时间响应
图4给出了灵敏区尺寸为20 mm×20 mm×0.02 mm的大面积SiC探测器分别对不同超快射线束的时间响应波形。200 V偏压时，SiC探测器对脉冲X射线和脉冲紫外激光的响应上升时间分别为9.4 ns 和 8.0 ns，响应波形的半高宽均为84 ns；
探测器对2种辐射响应上升时间的不同可归因于2种辐射激发载流子的特征不同，X射线可在整个灵敏区内均匀激发出载流子，而紫外激光的入射深度很浅只在靠近灵敏面表面附近激发出载流子。400 V偏压时，碳化硅探测器对超快电子束的时间响应上升时间、半高宽和下降时间分别为3.38、52.5和120 ns，电子束的实验结果较前述的脉冲X射线更快，电子和X射线均属于贯穿辐射、可在探测器整个灵敏区内激发出载流子，但是电子束实验时探测器所加偏压更高、载流子漂移速度更快，故时间响应更快。
比较分析了SiC探测器时间响应实验与理论计算结果。图5给出了大面积碳化硅探测器(灵敏区尺寸20 mm×20 mm×0.02 mm)对电子束的时间响应波形与前述W.C.狄钦松模型计算获得的时间响应波形，结果较为一致，时间响应理论计算和实验符合较好。图4中的微弱差异可能来源于计算使用的载流子迁移率数值与探测器的实际迁移率的差异。表 1给出了不同4种规格碳化硅探测器的实验获得的时间响应参数，实验结果与前述W.C.狄钦松模型计算结果差异不大。
图4 不同实验获得的大面积碳化硅探测器的时间响应波形Fig.4 Time response waveform of large area silicon carbide detectors obtained by different experiments
图5 理论与实验获得的大面积碳化硅探测器时间响应Fig.5 Theory and experimental time response of large area silicon carbide detector
由于半导体探测器的时间响应与探测器的等效电容有关，探测器的灵敏区越厚、电容越小、时间响应越快。目前高电荷收集效率的碳化硅探测器多选择同质外延材料来制作，探测器灵敏区厚度最高可达百微米左右，选择厚灵敏区材料研发了快时间响应的碳化硅探测器。
在超快电子源上开展了快响应碳化硅探测器(灵敏区尺寸3 mm×3 mm×0.1 mm)的时间响应研究，典型的时间响应波形如图6所示。探测器的时间响应可达纳秒级，响应上升时间、半高宽和下降时间分别为1.90、1.90和3.40 ns。图6中响应后沿基线部分存在反射，可能是实验时探测器引线与同轴电缆联接阻抗不匹配导致。
探测器的时间响应与探测器所加偏压有关，图7给出了响应波形的半高宽和下降时间与偏压的关系。偏压低于200 V时，探测器的响应半高宽大于30 ns；
但当大于200 V时，响应半宽会降低到3 ns内，会随着偏压略微提升，但变化幅度小于20%。探测器时间响应下降时间会随着偏压的升高，越来越快，偏压从50 V提升到600 V，下降时间会从4.84 ns降低至3.34 ns。实验中提高偏压会增大探测器灵敏区电场强度、提高载流子漂移速度、降低载流子收集时间，进而实现探测器时间响应性能的提升。
图6 快响应碳化硅探测器时间响应波形Fig.6 Fast response carbide detector time response waveform
图7 碳化硅探测器时间响应半宽和下降时间随偏压变化关系Fig.7 Time response of silicon carbide detectors with bias variation
2.2.2 SiC探测器的时间响应的尺寸效应
研究了不同灵敏区面积和不同灵敏区厚度SiC探测器的时间响应特性。表2列出了实验获得的多种尺寸碳化硅探测器的时间响应参数，包括响应波形的上升时间Tr、半高宽TFWHM和下降时间Td。实验结果表明，灵敏面积越大、灵敏区厚度越小的探测器时间响应越慢；
反之，面积小、灵敏区较厚的探测器，时间响应性能越快，这与前述理论分析结果基本一致。
半导体探测器的时间响应与探测器等效电容(C)和探测电路等效阻抗(R)的乘积有关，通常称为RC时间参数。对于常规的测试系统，同轴电缆、示波器等仪器的等效阻抗为50 Ω。碳化硅探测器的RC时间与厚度和面积相关，不同尺寸碳化硅探测器的RC时间参数见表2所示。
表2 SiC探测器的时间响应性能Table 2 Time response performance of sic detector
探测器时间响应下降时间对探测器应用非常关键。实验拟合了不同尺寸碳化硅探测器实验测得的时间响应下降时间和探测器RC参数的关系(见图8)，获得了根据探测器等效电容估算时间响应特性的经验公式Td=1.692×RC+10.3，可为后续碳化硅探测器灵敏区尺寸设计提供重要参考。
图8 碳化硅探测器下降时间与探测器等效电容的关系Fig.8 Relationship between the low drop time and the detector equivalent capacitance of the silicon carbide detector
1)本文系统研究了电流型碳化硅探测器的时间响应特性：采用W.C.狄钦松模型计算了大面积碳化硅探测器的时间响应理论波形，计算结果与在超快脉冲辐射源上获得的实验结果较为一致。
2)研究发现了灵敏区尺寸为3 mm×3 mm×0.1 mm碳化硅探测器的快时间响应特性，响应上升时间和半高宽小于2 ns。
3)实验研究了碳化硅探测器时间响应的尺寸效应，获得了探测器时间响应下降时间与探测器RC时间参数的经验估算公式。
本文研究结果可为电流型碳化硅探测器的设计研发、探测系统设计、在超快脉冲辐射探测中的应用提供重要参考。
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