Speaker
Description
超宽禁带半导体材料如氧化镓（Ga₂O₃）和金刚石，因其优异的物理特性在研制紧凑、高精度、耐用的辐射探测器方面展现出巨大潜力，尤其适用于核反应堆恶劣环境下的安全监测和长期近堆芯检测。目前，金刚石基α粒子、中子探测器已有报道，但其性能受到n型掺杂困难和高压载流子提取限制。Ga2O3作为一种新兴的超宽禁带半导体，具有金刚石的优良特性，包括耐高温和抗辐射性。随着大尺寸Ga2O3晶片的问世和其外延技术的进步，其在电力电子领域取得了快速的发展，材料端的发展也使Ga2O3基辐射探测器具备了研究基础。本研究面向α粒子和中子探测领域，结合氧化镓器件的特性进行针对性器件设计，通过先进制备工艺，设计并制备出不同类型的大面积氧化镓辐射探测器，主要内容包括：1）开发了首个大面积（d=2 mm）β-Ga2O3肖特基结型α粒子探测器，通过引入PtOx高势垒金属（1.83 eV）将大面积器件漏电流密度降至63 pA/cm²（-100 V），并在-120 V偏压下实现31.7%的电荷收集效率与15.3%的α粒子（5.486 MeV）能量分辨率，对β-Ga2O3基α探测器进行了初步探测。2）构建低界面陷阱密度的p-NiO/β-Ga2O3异质结，设计并制备了超大面积（9 mm2）β-Ga2O3热中子探测器，实现10⁻⁸ A（-200 V）的超低漏电流，显著提升了器件性能，其中α粒子能量分辨率达10%。通过集成¹⁰B中子转换层，使用慢化氘氚（D-T）聚变中子源进行中子响应测试，完成首次β-Ga2O3热中子探测器样机验证。测试过程使用了3He中子探测器对中子注量率进行标定，得到器件理论热中子探测效率为2.22%，填补了Ga2O3基半导体在热中子探测领域的空白。两项研究系统揭示了β-Ga2O3作为耐辐射、高性能探测器材料的潜力，为核反应堆监测及辐射探测应用提供了从基础机理到器件优化的新方案。
本工作得到国家重点研发计划项目（2022YFB3605403）、国家自然科学基金（61925110, U20A20207）、中国科学院合肥研究院院长基金（YZJJ202311-TS）等资助。
