金刚石膜α粒子探测器的电学性能研究

从外加偏压、预辐照处理等方面对三明治结构金刚石膜探测器在α粒子辐照下的电学性能进行了研究.电流-电压特性和脉冲高度分布测试和分析表明，金刚石膜探测器在能量为5.5MeV的²⁴¹Am α粒子辐照一定时间后，其暗电流有所增加.探测器顶电极施加负偏压时，在α粒子辐照下得到的净电流和信噪比均较大.Raman光谱测试表明，造成上述现象的原因很可能是金刚石膜厚度方向的不均匀性分布.负偏压下探测器对α粒子的能量分辨率为25.0%，优于正偏压下的能量分辨率(38.4%).随着α粒子辐照时间的延长，探测器的净电流和电荷收集效率均有明显增加. 关键词： 金刚石薄膜 辐射探测器 电学性能 脉冲高度分布     

p-i-nInP/In_(0.53)Ga_(0.47)As/InP探测器结构优化

利用半导体仿真工具Silvaco对p-i-n InP/In_(0.53)Ga_(0.47)As/InP近红外光探测器进行优化仿真.参考实际器件对红外探测器进行建模,并将其暗电流、光谱响应仿真结果与实验结果进行拟合,保证仿真结果的有效性.以减小探测器的暗电流为目的,优化其结构.针对探测器吸收层厚度和吸收层掺杂浓度对暗电流、光响应的影响进行研究,发现当吸收层厚度大于0.3μm后,暗电流不再上升,但光响应随着吸收层厚度的增加而增大;当吸收层掺杂浓度不断上升时,器件暗电流不断降低,当掺杂浓度上升到2×1017/cm3时,暗电流达到最低值.本文还研究了p-i-n型探测器的瞬态响应,探究了响应速度与反偏电压之间的关系,发现提高反偏电压能减小探测器响应时间.     

新型CVD金刚石X射线探测器时间性能初步研究

在微带结构化学气相沉积(CVD)探测器的基础上,利用同轴结构输出部件结合隔离直流电路制作了单端连接同轴探测器,该探测器主要用于激光等离子体的X射线测量。探测器采用直径为4mm的圆柱体CVD金刚石,金刚石一个端面镀有网格状电极,另一端镀有圆盘状电极。网格状电极既可保证正常施加偏压,也可使X射线直接照射至金刚石表面。在短脉冲激光装置上开展了探测器的时间响应特性实验,结果显示探测器上升时间为61ps。CVD金刚石探测器的时间性能研究为探测器的优化改进奠定了基础。     

金刚石膜探测器研制

采用直流电弧等离子喷射(DC arc plasma jet)CVD(chemical vapour deposition)工艺制成的金刚石薄膜，研制成功MSM(metal-semiconductor-metal)型CVD金刚石脉冲辐射探测器.对制作的金刚石薄膜材料及探测器有关性能进行了测量，结果表明，采用Raman shift<4.5cm^-1的金刚石薄膜制成的探测器，可满足亚纳秒脉冲辐射探测的要求.由于其独特的物理性能，在制作成本合理的情况下，在脉冲辐射测量中可取代Si-PIN探测器. 关键词： CVD 金刚石薄膜 辐射探测器     

采用Al/TaN叠层电极提高Si基Ge PIN光电探测器的性能

金属与Ge材料接触由于存在强烈的费米钉扎效应, 导致金属电极与n型Ge接触引入较大的接触电阻, 限制了Si基Ge探测器响应带宽. 本文报道了在SOI衬底上外延Ge单晶薄膜并制备了不同台面尺度的Ge PIN光电探测器. 对比了电极分别为金属Al和Al/TaN叠层的具有相同器件结构的SOI基Ge PIN光电探测器的暗电流、响应度以及响应带宽等参数. 发现在Al与Ge之间增加一薄层TaN可有效减小n型Ge的接触电阻, 将台面直径为24 μ的探测器在1.55 μ的波 长和-1 V偏压下的3 dB响应带宽提高了4倍. 同时, 器件暗电流减小一个数量级, 而响应度提高了2倍. 结果表明, 采用TaN薄层制作金属与Ge接触电极, 可有效钝化金属与Ge界面, 减轻费米钉扎效应, 降低金属与n-Ge接触的势垒高度, 因而减小接触电阻和界面复合电流, 提高探测器的光电性能.     

超薄介质插层调制的氧化铟锡/锗肖特基光电探测器

本文通过在氧化铟锡(indium tin oxide, ITO)透明电极和锗(germanium, Ge)之间引入超薄氧化物介质层以调节其接触势垒高度,制备出低暗电流、高响应度的锗肖特基光电探测器.比较研究了采用不同种类介质Al_2O_3和MoO_3,以及不同掺杂浓度的锗和硅衬底上外延锗材料制作的ITO/Ge肖特基二极管特性.发现2 nm厚的Al_2O_3插层可有效提高ITO与n-Ge和i-Ge的接触势垒高度,而MoO_3插层对ITO与不同Ge材料的接触势垒高度影响不明显. ITO/Al_2O_3/i-Ge探测器由于其增大的势垒高度表现出性能最佳,暗电流(–4 V)密度低至5.91 mA/cm~2, 1310 nm波长处光响应度高达4.11 A/W.而基于硅基外延锗(500 nm)材料制作的ITO/Al_2O_3/Ge-epi光电探测器的暗电流(–4 V)密度为226.70 mA/cm~2, 1310 nm处光响应度为0.38 A/W.最后,使用二维位移平台对ITO/Al_2O_3/i-Ge光电探测器进行了单点成像实验,在1310 nm, 1550 nm两个波段得到了清晰可辨的二维成像图.     

化学气相沉积金刚石X射线探测器相对标定

利用神光Ⅱ激光装置,开展了化学气相沉积金刚石X射线探测器的相对标定技术研究。实验得到了金刚石X射线探测器与已绝对标定的平响应X射线二极管对X射线辐射的测量结果,计算得到金刚石X射线探测器平均灵敏度为1.19610-5 C/J,不同发次得到的灵敏度与平均值之间的偏差不大于13%。     

枕型二维位置敏感探测器的研制

证明了枕型二维位置敏感探测器设计的基本原理———Gear定理,并推导了适用于枕型二维位置敏感探测器的位置计算公式,此外还提出了枕型二维位置敏感探测器的制作工艺和测试结果。采用集成电路工艺所研制的枕型二维位置敏感探测器(光敏面为8 mm×8 mm)表现出良好的光电特性,当反偏为5 V时其暗电流约为15 nA,峰值时的光谱灵敏度超过了0.6 A/W。在所测量的 75%光敏区域内,均方根位置误差约为 0.135 mm,而以均方根位置误差表示的非线性度在1.1%左右,比四边形二维位置敏感探测器的位置线性度提高了近一个数量级。     

应用Multisim研究不同结构二维PSD的线性度

应用电路模拟软件Multisim对四边形结构、方形结构、直角形结构、双面结构位置敏感探测器的线性度进行仿真实验研究,得到了相应的线性网格图,并进行了分析.综合比较这几种不同结构二维位置敏感探测器的线性度.结果表明：四边形电极结构位置敏感探测器的位置误差最大,中央40％光敏区的位置误差约为10.05％,直角型电极结构位置敏感探测器,双面型电极结构位置敏感探测器以及带电阻边框的方形电极结构位置敏感探测器在相应区域的位置误差的误差分别为3.70％,0.29％,0.12％.对计算结果与试验结果进行了比较,表明该方法具有简单直观,参量变化多样性,结果可靠的优点.     

CVD金刚石薄膜探测器性能研究

通过实验测量和理论分析, 从载流子动力学角度研究了用于脉冲辐射探测的CVD金刚石薄膜探测器的适用结构、电荷收集效率和时间响应性能. 结果表明, CVD金刚石薄膜可以制成均匀型结构的探测器; 薄膜中的缺陷会降低探测器的电荷收集效率, 探测器的电荷收集效率随场强增大而增大直至饱和. 已研制的CVD金刚石探测器电荷收集时间可达719ps, 在2.5V/μm场强下达到饱和, 电荷收集效率 达60.5%; 晶格散射是影响探测器时间响应的主要因素, 选用大晶粒甚至单晶金刚石薄膜可以提高探测器时间响应.     

Survey meter combining CVD diamond and silicon detectors for wide range of dose rates and high accumulated doses

We have developed a prototype of a survey meter combining a CVD diamond detector and silicon detectors to appropriately take temporal measurements of γ-ray radiations over a wide range of the dose rates and to measure high accumulated doses of γ-ray radiations. In order to carry out this, at first, we have studied the radiation hardness of diamond detectors suitably fabricated with high-quality single-crystalline CVD diamond films to confirm that such CVD diamond detectors have greatly superior radiation hardness, compared with commercially available silicon detectors. It is evidenced that the performance of the CVD diamond detector did not significantly change even after heavy γ-ray irradiation of 0.7 MGy while the silicon detectors have a remarkable increase in the dark current, a detection peak shift to the low energy side, and a decrease in detection counts for 5.486-MeV α particles. Due to a size limitation of the CVD diamond detector, such a CVD diamond detector was combined with six commercially available silicon detectors to fabricate a survey meter which can appropriately work under severe irradiation conditions, or, at accumulated doses larger than at least 0.5 MGy and which can cover a wide range of the dose rates from 1 μGy/h to at least 1 kGy/h. The prototype survey meter had a practically useful linearity in this dose rate range. Thus, we have confirmed that such a diamond-Si combined survey meter can be put into practical use.     

Passage of Fast Neutrons Through the Crystal Structure of Textured CVD Diamond

The passage of fast neutrons through the crystal structure of a textured diamond obtained by chemical vapor deposition (CVD diamond) is studied. Neutrons with an energy of 2.45 MeV from the DD reaction and with an average energy of about 2 MeV from the 252Cf isotope are used as neutron sources. The neutrons are detected by two independent methods: using proportional counters filled with 3Не and a paraterphenyl-based scintillation detector. The measurements show that the neutron-flux incident on the detector depends on the orientation of the target. In the case of isotropic samples containing diamond and carbon, such effects are not observed. A possible explanation for the effect is the channeling of deuterium ions and neutrons in channels of textured CVD diamond.     

A CVD diamond film detector for pulsed proton detection

A chemical vapour deposition （CVD） diamond film detector was prepared and the main characteristics for pulsed proton detection were studied at Beijing Tandem Accelerator. The result shows that the charge collection efficiency of the detector increases with increasing electric field intensity and reaches to 9.44% at 5 V/μm with the charge collection distance of 15.9 μm. The relationship between the sensitivity of the detector and proton energy is consistent with the Monte Carlo （MC） simulation result. Its plasma time for a pulse with 4.85×10^5 protons is 1l.2ns. The dose threshold for onset of damage under 9MeV proton irradiation in the detector is about 10^13 cm^-2. All of the results show that a CVD diamond detector has fast time response and high radiation hardness, and can be used in pulsed proton detection.     

化学气相沉积金刚石探测器测量软X射线能谱

金刚石具备高热导率、高电阻率、高击穿电场、大的禁带宽度、介电系数小、载流子迁移率高以及抗辐射能力强等特性,可作为已应用于惯性约束聚变(ICF)实验X射线测量的硅与X射线二极管的较好替代品.随着化学气相沉积(CVD)技术的发展,CVD金刚石受到人们越来越多的关注.文中利用拉曼谱仪和X射线衍射仪对1mm×1mm×2mm,1mm×1mm×3mm两种规格CVD金刚石完成品质检测后,完成了CVD金刚石X射线探测器的集成制作,并在8ps激光器和神光III原型装置上开展了探测器时间特性等性能研究.实验结果表明,整个探测器系统前沿响应时间可达60ps,半高全宽可达120ps,与X射线二极管探测系统时间特性一致.在神光Ⅲ原型装置实验中,没有观察到探测器对3ω0激光的响应,说明探测器具有好的抗干扰能力.其测得的温度曲线与软X射线能谱仪测量结果一致,实现了X射线能谱测量的初步应用.     

快响应化学气相沉积金刚石软X射线探测器的研制

利用高品质化学气相沉积(CVD)金刚石,采用微带线结构研制了CVD金刚石软X射线探测器。利用脉宽为10 ps的激光器进行了探测器响应时间的测量,获得半宽度为115 ps的信号,经过计算得到CVD金刚石探测器的上升时间为49 ps。在激光原型装置实验中,通过与软X射线能谱仪测量结果的相互比对,证实所研制的CVD金刚石探测器是一种响应时间快、信噪比高、性能可靠的软X射线探测器。     

Field emission from nitrogen-implanted CVD diamond film grown on silicon wafer

Nitrogen was implanted into chemical vapor deposition (CVD) diamond films and the electron field emission properties of the nitrogenated diamond films were investigated. Nitrogen implantation was carried out using 10 keV in the dose range from 1×10¹⁶ to 5×10¹⁷ cm^-2 at room temperature. Raman and X-ray photoelectron spectroscopy measurements revealed that nitrogen implantation damaged the structure of the diamond film and promoted the formation of sp² C–C and sp² C–N bondings. Increasing the implantation dose could lower the threshold field of the emission of the diamond film from 18 V/m to 4 V/m. The effective work function of the nitrogen-implanted CVD diamond films was estimated to be in the range of 0.01–0.1 eV. The enhancement of field emission for nitrogen-implanted CVD diamond films was attributed to the increase of the sp² C bonds fraction and the formation of defect bands within the bulk diamond band gap induced by nitrogen implantation, which could alter the work function and elevate the Fermi level. Consequently, the energy barrier for electron tunneling was reduced.     

等离子体诱导碳纳米管到纳米金刚石的相变

采用氢等离子体，实现了碳纳米管向金刚石的结构相变，并实现了金刚石的高密度成核，有效成核密度可达10\+\{11\}／cm\+2以上，处于目前金刚石成核密度的最高行列，为制备优质的金刚石薄膜提供了保证.高分辨透射电镜、x射线衍射和拉曼光谱都证实了金刚石的形成.同时，对纳米金刚石晶粒的生成机理进行了初步探讨. 关键词： 等离子体 碳纳米管 纳米金刚石 结构相变     

化学气相沉积金刚石探测器测量辐射驱动内爆的硬X射线

金刚石探测器具有响应快、灵敏度高、动态范围大、平响应、击穿电压高、抗辐射等优点, 广泛运用于X射线测量. 利用化学气相沉积方法制备的光学级金刚石, 采用金属-金刚石-金属结构研制了X射线金刚石探测器. 在8ps激光器上的探测器响应性能考核表明, 整个探测器系统的响应时间为444 ps, 上升时间为175 ps, 载流子寿命为285 ps. 将探测器应用于神光Ⅲ原型装置的内爆物理实验硬X射线测量, 分别测量得到以注入黑腔的激光转化为主和靶丸内爆产生为主的硬X射线能流, 测得的峰值信号分别正比于激光总能量和反比于靶丸CH层厚度. 关键词： CVD金刚石探测器 硬X射线 激光能量     

掺杂CVD金刚石薄膜的应力分析

在不同实验条件下，用微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)技术在Si基体上制备了S掺杂和B-S共掺杂CVD金刚石薄膜，利用X射线衍射仪和拉曼光谱仪研究掺杂对CVD金刚石薄膜的应力影响.研究结果发现，随着S掺杂浓度的增加，薄膜中sp²杂化碳含量和缺陷增多，CVD金刚石薄膜压应力增加；小尺寸的B原子与大尺寸的S原子共掺杂时，微量B的加入改变了CVD金刚石薄膜的应力状态，共掺杂形成B-S复合体进入金刚石晶体后降低金刚石晶体的晶格畸变程度，减少S原子在晶界上偏聚数量和晶体中非金刚石结构相含量，降低由于杂质、缺陷及sp²杂化碳含量产生的晶格畸变和薄膜压应力，提高晶格完整性. 关键词： 金刚石薄膜 掺杂 应力