GaN基带电粒子探测器能谱测量的改进研究

朱志甫, 黄 河, 邹继军, 汤 彬

(1.东华理工大学 核技术应用教育部工程研究中心，江西 南昌 330013; 2.东华理工大学 江西省新能源工艺与装备工程技术研究中心，江西 南昌 330013)

氮化镓(GaN)作为第三代宽禁带直隙半导体材料，具有宽带隙(Eg=3.4 eV)、高饱和电子漂移速率、高热导率、高击穿电场和良好的化学稳定性等优异特性，在HEMT、激光二极管、光发射二极管(LEDs)、MESFET等领域取得了广泛的应用(Strite et al., 1992; Ryu et al., 2005; Mishra et al., 2002; Limb et al., 2006)。基于GaN基的辐射探测器具有耐辐照、耐高温、线性响应范围宽、响应时间快、n/γ分辨率好、体积小、工作电压低等优点，非常适合作为新一代半导体辐射探测器，如在核反应堆、中子测井、核聚变反应堆、高能加速器和核事故现场等。近年来，许多课题组利用不同的衬底和器件结构已经成功的制备了GaN基α粒子探测器(Stephen et al., 2013)，实验证实GaN基探测器能够在高于475 K温度下正常工作(Zhu et al., 2018a)，也能够在高能电子辐照剂量小于200 kGY的环境下工作(Zhu et al., 2018b)。在GaN探测器测量带电粒子的能谱研究中，获得带电粒子在GaN中沉积的能量关键在于能量刻度。为了获得探测器测量带电粒子的能量和道址关系的能量刻度曲线，实验可以采用不同的已知能量的带电粒子射线源对能谱采集软件进行标定，通过特征峰位置与已知能量比对，再根据最小二乘法拟合获得能量刻度曲线方程。能量刻度装置大都采用商业化的Si离子注入探测器和已知能量的带电粒子作为参考，刻度能量与道址的关系。这些带电粒子探测器的能谱测量装置适合于Si探测器，而对于GaN探测器，这些装置不能满足GaN探测器的能量谱测量需要。这主要是基于以下原因：一是Si和GaN的禁带宽度不一样；二是带电粒子在两种材料中电离时产生电子-空穴对所需要的能量是不同的，Si的是3.5 eV，而GaN是8.9 eV。在使用相同的电荷灵敏前置放大器时，两种探测器对同一能量的带电粒子输出的信号幅度差别很大，也不是简单的按比例增大或是缩小。因此，在利用GaN探测器测量带电粒子的能谱时，需要对原有的硅带电粒子探测器的能谱测量仪进行改进。

1 实验过程

1.1 器件制备

本实验使用的GaN基探测器的结构是p-GaN/i-GaN/n-GaN，是利用Aixtron的金属有机物化学气相沉积系统在蓝宝石衬底上外延生长，其厚度分别为200 nm，5 μm，2 μm。器件结构及实物图如图1所示。Zhu等(2018a,2018b)已经详细的报道了器件制备工艺。

图1 GaN基pin探测器Fig.1 GaN-based pin detectora.器件结构；b.实物图(探测直径为1mm的9个探测器封装在镀金的PCB电路板上)

1.2 实验装置

为了实现GaN探测器的能谱测量，需要一套带电粒子探测器的能谱测量仪(图2)。采用商业化的Ortec公司的核电子学插件，能量标定采用的探测器为Ortec的钝化离子注入型Si-pin探测器，探测面积为400 mm2。为了最小化α粒子到达探测器前损失的能量，实验装置中采用的真空腔室是Ortec的807真空室。本实验采用的抽真空泵为机械泵，理论真空度可达到0.1 Pa。多道能谱仪是将成形放大器输出的信号通过ADC转换后采集累积计数。本实验采用的多道能谱分析仪是Ortec的EASY-MCA-16K，采样速率高达1.251 μs，道数是16 K。

图2 带电粒子探测器的能谱测量框图Fig.2 Block diagram of energy spectrometry with a charged-particle detector

1.3 电荷灵敏前置放大器的增益理论计算

本装置采用的电荷灵敏前置放大器是Ortec的142A。该放大器是一种交流耦合方式，其实质就是带负反馈的两级运算放大器，第一级增益为30 K，第二级增益为2，开环增益为60 K。该放大器对Si探测器的增益是45 mV/MeV。但是，对于新型的GaN探测器，Ortec未能给出其增益，可通过理论计算其增益。

电荷灵敏前置放大器输出电压表达式为：

(1)

(2)

其中，V0是电荷灵敏前置放大器输出脉冲电压(V)，Cf是放大器输出到输入端的反馈电容(F)，QD是能量为E的单个粒子能量产生的电子-空穴对的数量，ε是每产生一个电子-空穴对所需能量(eV)，e是电子电荷。

电荷灵敏前置放大器增益A为：

(3)

当能量为5.48 MeV的带电粒子电离Si时，产生的电子-空穴对数量为：

(4)

当能量为5.48 MeV的带电粒子电离GaN时，产生的电子-空穴对数量为：

(5)

由式(3)，(4)，(5)可得，

(6)

查询Ortec的142A数据手册可知，ASi=45 mV/MeV，则由式(6)得出GaN的增益为：

AGaN=18.2 mV/MeV

(7)

另外，Ortecc的142A数据手册中没有介绍反馈电阻及反馈电容的值，由式(1)可推算出反馈电容为：

(8)

由式(6)和(7)可知，在使用同一个带电粒子射线源时，电荷灵敏前置放大器对GaN和Si的增益完全不一样。为了利用Si探测器的能量刻度曲线测量GaN的能谱，需要修正图2中成形放大器572A的增益，使得谱仪的总放大倍数相等，即将GaN的成形放大器的放大倍数修正为Si探测器的2.47倍(45/18.2)。

2 结果与讨论

根据上述理论分析，利用α粒子能量为5.48 MeV的241Am源对比测试了GaN基pin探测器和钝化离子Si-pin探测器两种探测器的电荷灵敏前置放大器142A输出信号的幅度，Si和GaN探测器外加的偏压分别为85 V和10 V，真空度小于1 Pa。图3是Si探测器和修正后GaN基pin探测器的电荷灵敏前置放大器输出波形图，从图中可以看出，Si探测器输出信号幅度是240 mV左右，GaN探测器则是100 mV左右。虽然α粒子源被探测器探测后的核脉冲信号是随机的，但是，随机抓取的电压信号也能够说明使用相同的测试设备时，Si和GaN两种探测器的输出电压是不一样的，在利用GaN探测器测试带电粒子能谱时需要进行修正。

图4 标准源241Am和239Pu源的能谱图Fig.4 Energy spectra of standard sources for 241Am and 239Pu

图3 电荷灵敏前置放大器142A输出波形图Fig.3 Charge-sensitive preamplifier 142A output waveform

在测试GaN基pin探测器的能谱前，选用商业化的Si探测器(假定Si探测器的电荷收集效率为100%)和已知能量的α射线源对多道和能谱之间的关系进行标定。本实验的能量刻度使用Ortec的钝化离子注入Si-pin探测器(型号为BU-021-450-100，探测器面积为400 mm2)，采用两种α粒子源作为刻度源，分别是241Am和239Pu。241Am 的特征能量峰为5.48 MeV，239Pu的特征能量峰是5.15 MeV。

能量刻度关系式为：

E(keV)=BX+A

(9)

式中，E为对应α粒子能量(keV)，X是道址，B是直线斜率(keV/每道)，称为刻度常数，A是直线截距(keV)，它表示由于α粒子穿过探测器金层表面所损失的能量。

图4是利用图2的实验装置测量了标准源241Am和239Pu源的能谱图。从图中可以看出，左边两个能谱峰位是239Pu源的能量峰，右边一个是241Am源的能量峰。

为了寻找出刻度系数及刻度方程，根据图4中能量峰位和道指的关系，结合241Am和239Pu源的特征能量峰，绘制出两种源对应的线性直线(图5)。

由式(9)和拟合结果可知，刻度方程为(郁刚等，2004)：

E(keV)=0.36X-6.5

(10)

图5 标准源241Am和239Pu源的刻度拟合曲线Fig.5 241Am and 239Pu scale fitting curve

能量刻度完成后，在反向偏压为-10 V时，利用GaN基pin探测器测试修正前后241Am源的能谱(图6)。从图中可以看出，修正前后的241Am源能谱峰位分别为252 keV和620 keV。GaN基pin探测器的空间电荷区的宽度约为2.5 μm。根据之前的SRIM仿真结果分析可知(黄河等，2014)，能量为5.48 MeV的241Am在GaN材料中的射程约为16 μm。理想情况下，能量为5.48 MeV的241Am在宽度为2.5 μm的空间电荷区中沉积的能量约为850 keV。因此，修正前测量241Am源能谱峰位值252 keV是不正确的，修正后测量的峰位为620 keV，与理想值是比较接近的。修正后241Am源在GaN基pin探测器中沉积的能量620 keV与理想值850 keV之间还是存在着一定的误差，这是因为：一是GaN材料的晶体缺陷密度比较大，材料中存在着各种缺陷复合中心，这些缺陷中心的存在，使得电离出的一部分电子-空穴对被这些缺陷中心复合，以噪声的形成存在；二是在反向偏压为-10 V时，器件的电荷收集效率未达到100%，未被收集到探测器电极两端的电荷也以噪声的形式存在。

图6 修正后GaN基pin 探测器241Am源的能谱图Fig. 6 The energy spectrum of the 241Am source for the GaN-based pin-detector with a reverse bias voltage of -10V

3 结论

根据Si探测器的电荷灵敏前置放大器的增益，计算了GaN探测器的增益为：AGaN=18.2 mV/MeV，修正了 GaN探测器的成形放大器的放大倍数为Si探测器的2.47倍。利用241Am和239Pu两种α粒子源获得了能量刻度曲线方程E(keV)=0.36X-6.5。利用GaN基pin探测器测量了反向偏压为-10 V时，修正前后241Am源的能谱，能谱峰位分别为252 keV和620 keV。根据理论计算和实验结果可知，改进后的测量方法非常适合测量GaN基α粒子探测器能谱。