第四届半导体辐射探测器研讨会

分会

Session 4 (Detector material and applications)

2024年5月25日 14:00

召集人

Session 4 (Detector material and applications)

• 来林 徐
• 亚东 徐

63. （特邀报告）金刚石辐射探测器和材料的制备和性能研究

张, 金风 (西安电子科技大学)

2024/5/25 14:00

半导体探测材料与器件

（特邀报告）金刚石辐射探测器和材料的制备和性能研究

12. 新型SDD硅漂移X射线探测器研究

贾, 锐 (中国科学院微电子研究所)

2024/5/25 14:25

针对一定的漂移环，会发生从顶部到底部的串通(reach-through)现象；而串通现象会导致硅漂移探测器的漂移电压很难加上去。为了解决这个问题，深入研究和分析了硅漂移探测器SDD的输运机理；通过研究发现，如果采用特殊的双夹断结构，可以有效地提升漂移电压，进而提升X射线探测的器能量分辨率。通过器件的结构创新，把硅漂移探测器的能量分辨率提升到180eV以下，器件工作非常稳定。

21. 大尺寸CdZnTe外延单晶的制备及辐射探测性能研究

万, 鑫 (西北工业大学)

2024/5/25 14:38

采用近空间升华法制备了直径为2英寸、厚度超过1毫米的 CdZnTe (CZT)外延单晶。为了测试大尺寸 CZT 外延单晶的均匀性，对 CZT 晶体中心部分和边缘部分的成分、晶体质量、 X 射线响应性能和载流子输运性能进行了表征。形貌图像表明，不同区域的位错密度分别为3.5 × 104cm-2和4.5 × 104cm-2。晶体质量在中心区域呈现出比边缘区域好的趋势。带隙介于1.56 eV 和1.57 eV 之间，电阻率介于5 × 109Ω cm 和6 × 109Ω cm 之间。用边缘区和中心区制备的探测器对 X 射线的灵敏度分别为276.22 μCGy-1cm-2和283.43 μCGy-1cm-2。通过对 Hecht 方程的拟合，得到边缘和中心部件的载流子寿命积分别为3.932 × 10-4cm2 V-1和4.511 × 10-4cm2 V-1。所制备的探测器对241Am@59.5...

20. 高能量分辨钙钛矿半导体的晶体生长及X/γ射线探测性能研究

何, 亦辉 (苏州大学)

2024/5/25 14:51

自2013年以来，钙钛矿半导体迅速引起了广泛的研究兴趣。虽然其开发晚于Cd(Zn)Te晶体近二十年，最近研究表明，铅基卤化物钙钛矿半导体满足高能射线探测的基本核心指标。因此，钙钛矿半导体作为当前的研究前沿和热点，有望成为新一代辐射探测材料。不同结构的钙钛矿材料不断被开发并用于辐射探测探索，总体而言，钙钛矿半导体研究仍处于起步阶段。首先，将介绍大尺寸钙钛矿单晶的制备及晶体生长等研究现状。其次，将介绍半导体器件的优化设计，结合钙钛矿辐射探测器件的工作机制，重点阐述脉冲模式中存在的器件设计制备、载流子传输和收集的发展现状和瓶颈问题，以期为该材料在核辐射探测领域的未来发展提供指导。同时，该报告也将总结钙钛矿结构材料用于核辐射探测的发展历程。

27. Pre-production of USTC-IME LGAD for ATLAS HGTD

任, 浩泉 (中国科学技术大学)

2024/5/25 15:04

低增益雪崩探测器（LGAD）是一种创新型硅传感器，具备出色的时间测量精度和抗辐照性能。其内部增益层使其具备约30皮秒的时间分辨率。我们对由中国科学技术大学与中国微电子所合作生产的LGAD样品进行了全面分析，涵盖了电流-电压（IV）特性、电容-电压（CV）特性、时间分辨率以及收集电荷的测量等重要指标。这些分析有助于合理评估生产样品的质量，并通过测试每片晶圆上的质量控制结构（QCTS），有效监控了LGAD的生产工艺和质量。

30. 具有高能量分辨率的CsPbBr3钙钛矿单晶的溶液生长和器件设计

白, 蕊沉 (西北工业大学)

2024/5/25 15:17

近年来，CsPbBr3单晶作为一种新型全无机金属卤化物钙钛矿材料具备合适的带隙（2.3 eV）、较大的平均原子序数以及较好的化学稳定性，在X射线/伽马射线光谱和成像领域得到广泛关注。然而，生长缺陷和器件结构影响了制备具有高辐射探测性能的CsPbBr3单晶器件。在此项工作中，我们报道了在使用逆温结晶的溶液生长方法获得的CsPbBr3单晶中的液态包裹缺陷，并通过引入强制对流消除液体了包裹体，使CsPbBr3的结晶质量得到了显著改善。基于高质量的CsPbBr3单晶，通过优化阳极接触构建了肖特基结型和MIS（Metal-insulator-semiconductor）型器件，对比了不同金属作为阳极接触并进一步引入LiF中间层进行界面优化，显著了降低器件的漏电流，并提高器件在高电场下的探测稳定性。采用Bi阳极和高离子迁移活化能的CsPbBr3晶体实现了对241Am@5.5 MeV...

32. 4H-SiC 粒子探测器的研究潜力及其器件研发

张, 希媛 (中国科学院高能物理研究所)

2024/5/25 15:30

随着5G通信、智能物联网、新能源汽车等产业的蓬勃发展，第三代半导体材料的研究被纳入我国关键战略发展重点专项。其中碳化硅作为一种功率器件材料已经进入井喷式发展，这对其整个产业链包括衬底、外延、加工、应用都起到了推动作用。在此背景下，宽禁带宽度，高击穿电场和原子位移能均提示其可能具有良好的抗辐照特性；其高饱和载流子漂移速度可以提升粒子探测器的响应速度；高热导率意味着其具有相对宽松的散热条件，可以在常温下稳定工作。因此，SiC高能粒子探测器具有非常大的潜在优势。同时SiC的电离能高于Si，导致其信号相对较小，设计一款SiC LGAD不仅可以通过低增益雪崩倍增放大信号，并且提升信噪比，从而为高能粒子探测器提供一种新的选择。通过仿真工具设计了不同厚度和掺杂浓度的4H-SiC...

38. 辐射探测用有机复合膜的制备及性能研究

徐, 萌 (西北工业大学)

2024/5/25 15:43

摘 要: 有机半导体材料具有低原子量、低成本、柔性和组织等效性等特点可以克服传统无机半导体X射线探测器（如非晶硅、CZT）的局限性，使其在实现可直接探测高能射线、医学诊疗、剂量监测及成像领域表现出巨大潜力。但亟需解决吸收率低的科学难题和大面积柔性制备的技术瓶颈。本研究采用空间熔融限域法制备了尺寸为15 × 18 mm2的4羟基苯甲腈（C7H5NO，4HCB）有机半导体膜；缓慢冷却（0.3 ℃/min）后得到的择优面是（002），该方向是苯环紧密堆积且缺陷更少的方向，有利于载流子传输；4HCB器件电阻率约为1012 Ω·cm，空穴迁移率为10.62 cm2·V-1·s-1；在外加偏压为100 V时，器件4HCB探测器对20 kVp的X射线束探测灵敏度高达93 μC·Gyair-1·cm-2，与商业应用α-Se探测器相当；探测到的最低X射线剂量率小于 3.48...

53. The effects of irradiation on LGAD developed by IHEP

zhao, mei (中国科学院高能物理研究所)

2024/5/25 15:56

The radiation-resistant Low Gain Avalanche Detector (LGAD), with high time resolution reaching to 34 ps after neutron irradiated, satisfies the upgrade requirements for ATLAS. To verify the effects of irradiation, low-energy carbon-doped LGAD with 50 $\mu m$ epitaxy, designed by Institute of High Energy Physics (IHEP), has been irradiated with proton at the China Spallation Neutron Source...

64. 碲锌镉晶体材料和核辐射探测器的研究与应用进展

博士 徐, 凌燕 (西北工业大学)

2024/5/25 16:24

化合物半导体碲锌镉（CZT）晶体具有高的射线阻挡能力、高的探测效率和直接光-电信号转换的探测能力，被认为是最有前景的第三代核辐射探测器材料，在安全检查和工业检测、核医学和临床医学、核安全监控以及天文观测等领域具有广阔的应用前景。本文以CZT材料和器件为研究对象，研究了宽频谱射线作用下载流子输运过程的表观规律和微观机理，揭示了晶体结构缺陷、掺杂与杂质对载流子输运特性的影响规律；从材料成分与掺杂设计、晶体生长和退火改性等方面，提出了优化载流子输运性能的调控方法；掌握了单平面、线阵、面阵探测器制备技术，开发了包含便携式γ剂量仪、土壤CT在内的多个产品，实现了科研成果产业化，打破了国外对该领域的技术封锁，并将带动相关产业的发展。

77. CdZnTe外延单晶器件制备及光子计数性能研究

魏, 鹤鸣 (西北工业大学)

2024/5/25 16:37

光子计数检测是一种极具前途的计算机断层扫描 （CT）方法。它具有高的空间分辨率，没有电子学噪声以及可提高组织对比度等特点。CdZnTe （CZT）由于其优秀的物理性质，被公认为是实现光子计数技术的最佳材料之一。利用近空间升华法 （CSS）生长的CZT外延单晶具有生长速率快 （10μm/s），低成本并且可制备大尺寸等优点。本文研究了CZT外延单晶的器件制备以及其光子计数特性。通过改变X射线辐照剂量，CZT外延单晶探测器的光子计数率可达到2.34 Mps/channel并且未产生明显的极化现象，其光子技术率可以与CZT单晶相媲美 （2.46 Mps/channel）。并通过I-V、I-T光响应、能谱测试结果得出该探测器具有高的电阻率3.7×1010 Ω‧cm， X射线响应灵敏度249.42 μC Gy-1‧cm-2和载流子迁移率寿命积 （μτ）e 5.01×10-4...

23. 半导体辐射探测器在上海光源稀有元素线站的应用

洪, 春霞 (中国科学院上海高等研究院)

2024/5/25 16:50

1.上海光源稀有元素分析光束线站简介
2.半导体辐射探测器在稀有元素线站的应用

43. 基于半导体探测器的空间中子谱仪设计与测试

韩, 晨尧 (山东大学)

2024/5/25 17:03

针对近地空间中子探测需求，我们设计了一款基于硅半导体探测器的小型中子谱仪，能够探测空间中子与高能带电粒子环境，帮助研究地球内辐射带粒子来源等科学问题。中子谱仪整机重792...

50. 基于人工智能的在线径迹检测算法研究

Jia, Yanhao (中国科学院近代物理研究所)

2024/5/25 17:16

时间投影室（TPC）是一种用于高能物理和核物理实验的粒子探测器，通常用于粒子加速器和对撞机实验以及某些天体物理学实验。它们提供精确的跟踪信息，并能够重建复杂的粒子相互作用。基于像素读出的TPC在束流精准定位等应用有广泛前景。本次报告将介绍本组面向基于硅像素探测芯片设计的TPC的粒子径迹检测的工作，基于车道线检测思路的FML和基于目标检测思路的OML。FML采用了预设槽机制的思路，通过简化判断流程来提升最终的检测速度。OML包含径迹定位和径迹拟合两个部分。处理数据时首先对帧数据进行特征提取，检测每一帧内包含的径迹数量和相应的区域。之后在检测到的径迹区域内使用重心法拟合得到最终的径迹位置信息。通过精确定位TPC探测器中每个高能粒子在空间中的精确位置，FML和OML可以将原始信息压缩为径迹在空间中某一平面的斜率和截距，从而极大提高离线存储数据的压缩比。FML和OML经过SEE实验终端的测试...

31. 视网膜算法在像素探测器芯片上做单粒子效应定位技术研究

邓, 文迪 (武汉纺织大学)

2024/5/25 17:29

高能粒子辐射对电子器件造成的辐射损害效应类别繁多，单粒子效应是其中主要的损害效应之一。为了精确的定位电子器件易受辐射影响的区域，对电子器件进行靶向的抗辐射加固，单粒子闩锁效应定位技术一直是抗辐射领域研究的前沿目标。为此我们提出并实现了基于Retina算法的实时寻迹算法，在二维平面空间对像素探测器探测到的直线粒子径迹做快速的实时的粒子轨迹寻迹，从而完成二维空间中单粒子闩锁效应的定位任务。具体完成的研究工作有以下2个：1、设计基于视网膜算法的粒子轨迹循迹算法，利用算法在规模为7272像素阵列的Topmetal-II−芯片覆盖的二维空间内实现了对单个kr离子直线径迹的寻迹，位置分辨率达到40um，小于单个像素尺寸（83um83um）的百分之50；2、在视网膜算法的基础上继续拓展，升级为迭代视网膜算法，通过迭代视网膜计算的方式实现同时对单个事件中多条粒子轨迹的寻迹，在位置分辨率结果与单粒...

73. 宽禁带半导体探测器在白光中子束线的应用研究

蒋, 伟 (高能物理研究所)

2024/5/25 17:42

硅探测器广泛用于带电粒子的检测。在中国散裂中子源反角白光中子束线开展的（n，lcp）反应截面测量中，PIN硅探测器发挥了重要作用。然而，由于耐辐射性能差，硅探测器无法在高温和强辐射环境中工作。基于碳化硅、金刚石等第三代宽禁带半导体材料，抗辐射宽禁带半导体探测器比第一代半导体具有更高的载流子迁移率、更宽的带隙和更高的位移阈值能量。碳化硅和金刚石探测器已在CSNS制备和测试。本工作研究了探测器的性能，包括电性能、能量分辨率、抗辐射性和偏振效应。碳化硅探测器已经应用在6Li(n，t)和63Ni(n，α)60Fe的截面测量。金刚石探测器也已经应用于12C(n，α)9Be 反应的研究。

67. 基于Geant4蒙特卡罗方法的CLYC闪烁体与SiPM探测器组合优化模拟研究

朱, 世杰 (西安交通大学)

本文通过使用Geant4蒙卡模拟方法对CLYC闪烁体及SiPM探测器进行组合优化模拟研究，通过使用不同类型的中子源，如Am-Be中子源、252Cf自发裂变中子源等，模拟了在不同中子能量下，慢化体厚度对闪烁体探测效率的影响，以及闪烁体的形状与结构参数对探测效率的影响。通过结合不同因素变化对闪烁体探测效率的影响，得出了对应不同中子源的闪烁体与探测器的最佳组合结构。为后续开展器件小型化研究以及应用打下基础。

59. 大面积MOS结构与肖特基结构 4H-SiC 辐射探测器的制备与性能差异研究

季, 安 (山东大学)

摘要：4H-SiC 具有出色的物理特性，是一种很有前途的半导体，可用于制造在恶劣环境中工作的辐射探测器[1–3]。传统的 4H-SiC 辐射探测器采用带有肖特基势垒的垂直金属半导体（MS）结构。然而，由于金属诱导的间隙态和辐射诱导的寿命杀伤缺陷，这种 MS 探测器可能无法提供优化的电气性能，从而导致较大的漏电流[4,5]。最近，有人提出了一种新的垂直金属氧化物半导体（MOS）器件结构，以提高电荷收集效率（CCE）[6]。这种 MOS 结构可在反转模式下工作，同时具有电子和空穴陷阱中心。MOS 探测器的新机制可为调整辐射探测器的性能提供更多可能性。然而，这种 4H-SiC MOS 探测器的抗辐射性能迄今尚未得到评估。在这项工作中，我们报告了具有 MS 和 MOS 结构的大面积垂直 4H-SiC 辐射探测器的制造过程。我们分析了这些器件的电气特性。4H-SiC MOS 探测器在-100...