基于石墨烯的空间辐射探测传感器设计与试验研究

DT半导体材料 2021-12-14 18:00

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0 引言

高分辨率辐射探测器能够在室温或室温附近分辨出窄能量峰，为材料表征、天体物理学、国土安全以及核取证等领域的辐射探测和测量提供新的能力。研究表明，利用硅漂移型探测器可以实现能量分辨率的显著提升。目前还有一些潜在的可用于高分辨率辐射探测器的材料，如高密度高电荷数材料碘化汞（HgI₂）、碲锌镉（CdZnTe）等，虽然这些材料具有很好的能量沉积能力，也可以实现大面积制备，但它们的电学特性和电荷收集性能会受到硅和锗单晶基底的影响。此外，这些宽带化合物半导体的掺杂、加工和集成电路技术远不如单质半导体的成熟与先进，因而限制了它们的进一步应用。几种辐射探测用半导体材料的电学特性参数如表1所列。

表1 辐射探测用半导体材料的特性

石墨烯是一种平面碳原子膜结构材料，具有独特的电学和材料特性，包括极高的机械强度、极高的双极性迁移率和高导热性。石墨烯可以通过标准的微芯片制造工艺形成图案。由于石墨烯的固有电容几乎可以忽略，因此在开发室温高分辨率半导体辐射探测器方面具有特别的应用价值。将石墨烯整合到场效应晶体管结构中，可以提供一种用于半导体探测器中传感载流子极高灵敏度读出的机制，从而有可能制备出具有很高分辨率的辐射敏感探测器。将石墨烯、基底吸收层和中子转换层相结合，可用于中子探测，且具有体积小，转换效率比塑料闪烁体高的优点，在未来空间中子、地面核爆、空间站中子辐射环境探测等方面具有广阔的应用前景[2-3]。基于石墨烯的能带结构和电场效应，本文主要针对石墨烯场效应管对电子和质子的辐照响应进行分析，为后续研制可用于空间电子和质子探测的小型化探测器提供指导。

1 石墨烯场效应晶体管的工作原理和探测方法分析

石墨烯是一种零带隙半导体材料，导带和价带重合在Dirac点。在Dirac点附近，利用色散关系，石墨烯晶体在k空间单位面积的状态数表示为：

在电场的作用下，Dirac-费米子可以从电子(或空穴)连续转变到空穴(或电子)。在距离Dirac点较远的地方，石墨烯中只有单一的载流子，其浓度和加载的电压成正比。由于电导率和载流子浓度成正比，因此石墨烯的电阻值受到电压的影响，即石墨烯的电场效应，如图1所示。

图1 石墨烯的电场效应

图1（A）是石墨烯场效应晶体管的基本结构，图1（B）是在没有辐照情况下石墨烯电阻随电场强度的变化，图中绿色圈表示的是场效应晶体管的输出电阻位置，图1（C）表示石墨烯晶体管遭受了辐射，其基底部分发生电离，图1（D）表示石墨烯场效应晶体管的输出电路发生了偏移。

石墨烯辐射传感器包括3层：石墨烯敏感探测层、SiO2绝缘层和Si半导体吸收基底。其中，Si半导体吸收基底作为辐射探测的工作介质，吸收入射的射线并在基底内产生电子-空穴对；SiO2绝缘层在石墨烯探测层和Si半导体吸收基底之间形成绝缘，阻止辐射射线在基底内产生的电子直接被石墨烯接收。石墨烯敏感探测层主要用于感知辐射产生电子所形成的电场。

射线入射到探测器Si半导体基底中，使其电离产生电子-—空穴对，电子—-空穴对数目与射线能量成正比。在石墨烯探测层和Si半导体吸收基底之间加载电压，使探测器内部形成一个合适的电场分布，引导电子（空穴）向石墨烯探测层漂移，并被SiO2绝缘层阻挡而最终汇集在石墨烯探测层下方。汇集电子（空穴）产生电场改变石墨烯探测层的所处的电场强度，石墨烯载流子浓度被电场调控，使石墨烯的电阻值发生改变。通过测量石墨烯电阻值的变化量，可以推算出其电场强度的变化量，进而可以推算出入射射线所产生的电子-空穴对数目，结合后续电子学系统得到入射射线的注量[7-8]，即得到空间辐射探测结果，如图2所示。图中Is是源极电流，Vs是源极电压。使用中常将栅极与源极之间的电压称为栅源电压，记为VGS。

图2石墨烯场效应管辐射传感器样件结构

从图2中可以看出，器件的几何结构类似于金属—氧化物-—金属（MOS）结构。当电压通过背面欧姆接触的栅极施加到半导体上时，在半导体的石墨烯下方形成一个耗尽区；耗尽区中剩余的固定电荷会产生一个内部电场，将由能量粒子撞击产生的电子-空穴对分离；分离的电荷在绝缘体/半导体界面聚集，增强了施加于石墨烯上的横向电场。通过施加恒定的源漏电压，石墨烯电导率的变化可以被测量为漏源电流的变化。耗尽区域的深度决定了将被收集的电子-空穴对的数量，并与掺杂剂的密度以及背栅电压的大小有关。

2 仿真分析

采用蒙特卡洛方法（MonteCarlomethod）对高能电子的穿透路径以及能量沉积情况进行仿真，以获得入射射线在基底介质中的穿透深度及能量沉积[9]。以500keV电子为例，说明射线与基底介质相互作用过程。图3所示为500keV能量的电子在半导体硅材料中的运行轨迹进行模拟。图中红色线表示发生背散射后逃逸离开的电子运动轨迹，蓝色线表示电子在Si片中的运动轨迹，500keV电子的最大穿透深度能够达到680μm。在实际传感器制备过程中，依据探测粒子的能量范围，可据此设计硅吸收层的厚度。5MeV质子在硅材料中的穿透深度和电离能损如图4所示。

图3 500keV电子在Si中的运行轨迹

图4 5MeV质子的穿透深度和电离能损

3 试验器件制备

用CVD法沉积的单层多晶石墨烯薄膜制备试验器件。为了探测空间辐射粒子，要求半导体探测敏感面积达到mm量级，因此采用刻蚀技术将石墨烯薄膜刻蚀成阵列分布的微米大小的石墨烯单元。

图5中所示为制作的石墨烯场效应晶体管器件退火处理后的电极分布。退火处理是为了改善电极的接触特性，使之尽量成为欧姆接触。为了表征测试的需要，采用金丝引焊的工艺办法。将微器件的电极引出，同时方便器件的封装互联。用金丝引线引出的器件示意图如图5所示，电极1和2处有引线。

图5金丝引焊石墨烯器件示意图

4 试验结果及分析

4.1试验及数据

各选择4组样品，依次编号为1#、2#、3#和4#，进行质子和电子辐照试验，以验证石墨烯器件的电学特性[13]。电子辐照试验参数如表2所列。样品制备完成并初步拉曼测试之后，将辐照样品真空封装保存，辐照时再将样品取出，辐照完成后再次将样品真空封存，等待后期测试时拆封。

表2 电子辐照试验参数

用半导体参数测试分析仪KeysightB1500A测得的2#石墨烯器件在5中不同累积注量下电子辐照前后的输出特性变化曲线如图6所示，施加的源漏偏压VDS=1.0V，栅压VGS=0V。为保证各个器件之间的电学特性具有可比性，对辐照后的测试数据进行了归一化处理。

图6(a)为线性坐标下的输出特性曲线，图中实线为电子辐照前的测试结果，虚线为电子辐照后的测试结果。可以看出，不同剂量电子辐照后，石墨烯器件的输出特性大幅下降，表明电子辐照对石墨烯器件的电学特性具有较大影响。为了对比不同辐照剂量对样品的影响程度，对线性坐标（Y轴）进行对数坐标处理后得到图6(b)，从图可以看出，辐照后，石墨烯样品的输出特性下降1～2个量级，但下降程度没有随电子辐照注量增大而显示出明显趋势。

图6电子辐照前后石墨烯器件的输出特性曲线

图7为石墨烯器件辐照前后的转移特性曲线。测试时施加的栅压VGS=-50～50V，源漏偏压VDS=0.1V。可以看出，电子辐照后石墨烯器件的电流大幅下降。为对比不同辐照剂量的下降程度，进行了对数化处理。从图7(b)看出，电子辐照后归一化电流随栅压的增加而下降的程度小于电子辐照前的幅度，表明器件的栅极调控石墨烯沟道载流子浓度的能力有所下降。

图7 电子辐照前后石墨烯样品的转移特性曲线

对于质子辐照试验，同样设定40keV的辐照能量，试验参数如表3所示。石墨烯样品的保存方式与电子辐照样品相同。

表3 质子辐照试验参数

图8为质子辐照前后石墨烯器件的输出特性曲线，其中实线为质子辐照前的输出曲线，虚线为质子辐照后的输出曲线。测试参数与电子辐照器件的输出特性测试参数相同。从图8(a)中可以看出，质子辐照对石墨烯器件样品的输出特性影响是巨大的，导致了源漏电流的大幅下降；从图8(b)可以看出，随着辐照注量的增大，样品的源漏电流逐渐减小，表明质子辐照注量对器件电学特性的影响成正相关。

图8 质子辐照前后石墨烯样品的输出特性曲线

图9为质子辐照前后石墨烯器件的转移特性曲线。可以看出，随着质子辐照剂量的增加，源漏电流依次降低，表明质子辐照对石墨烯的破坏较大；此外，从转移特性曲线中还可以看出，质子辐照后，归一化的源漏电流随栅压增大的变化程度变小，表明石墨烯器件的栅控能力下降，这与质子辐照增加了石墨烯的缺陷并一定程度破坏了SiO2介质层有关。

图9 质子辐照前后石墨烯样品的转移特性曲线

4.2结果分析

电子辐照前后石墨烯器件样品的电流稳定性测试曲线（I-t曲线）如图10所示，其中实线为辐照前的，虚线为辐照后的。测试时施加的源漏电压VDS=0.1V，栅压VGS=0V，测试时t=60s。。从图中可以看出，辐照后石墨烯器件的电流明显下降，电流稳定性稍变差，其中2#-4号稳定性下降较严重，但整体上辐照后石墨烯器件较为稳定。

图10 电子辐照前后石墨烯样品的I-t曲线

提取源漏电压VDS=0.1V和VDS=1.0V时的漏电流，再分别归一化后，得到了漏电流随电子辐照注量的变化关系，如图11所示。从图中可以看出，电子辐照对石墨烯电学特性影响明显。随着辐照注量的增加，漏电流呈现大幅下降后又提升的趋势。对比源漏电压VDS=0.1V和VDS=1.0V时的漏电流发现，VDS=0.1V时的漏电流受电子辐照影响程度大于VDS=0.1V时的漏电流，但二者的变化趋势相同。

图11 石墨烯样品的归一化漏电流随电子辐照注量的变化

质子辐照前后石墨烯器件样品的源漏电流稳定性测试曲线如图12所示，其中实线为辐照前的I-t曲线，虚线为辐照后的I-t曲线。测试参数与电子辐照的测试参数相同。可以看出，质子辐照后虽然源漏电流大幅下降，但电流的稳定性仍然较好，表明质子辐照对器件I-t特性的稳定性不构成影响。

图12 质子辐照前后石墨烯样品的I-t曲线

提取源漏电压VDS=0.1V和VDS=1.0V时的漏电流，再分别归一化后，得到漏电流随质子辐照注量的变化关系，如图13所示。从图中可以看出，质子辐照对石墨烯样品的影响同样较大，随着质子辐照注量的增加，归一化漏电流逐渐下降。从图中可以分析出，漏电流的下降与石墨烯的缺陷增多有关；对比源漏电压VDS=0.1V和VDS=1.0V时的漏电流，二者的下降趋势和下降程度基本相同。此外，对比电子辐照的影响和质子辐照的影响，可以看出质子辐照的影响比电子辐照稍大。

图13 石墨烯器件样品的归一化漏电流随质子辐照注量的变化

5 结论

研究验证了石墨烯场效应管在收集辐射诱导电荷方面的应用。试验研究发现，在无防护的情况下，石墨烯器件的电学和光电性能衰减较小，具有较强的抗辐射能力。若后续对器件进行封装保护，器件的抗辐射特性将进一步增强，辐射的影响会更小。电子和质子辐照试验表明，石墨烯器件的电输运特性下降较大，因此在实际应用中，须对器件进行一定的封装等防护，以免器件遭受大剂量辐照影响。

来源：
作者：安恒，李得天，文轩，杨生胜，张永哲，王鷁，张晨光，王俊，曹洲．

《基于石墨烯的空间辐射探测传感器设计与试验研究》真空与低温

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