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【6h】

PIN结构GaN/AlGaN基探测器的Alpha粒子响应特性研究

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第一章 绪论

1.1 本课题研究的意义

1.2 本课题研究的背景

1.3 GaN材料的基本性质

1.4 GaN基核辐射探测器的研究情况

1.5 论文主要研究内容

第二章 PIN结构GaN/AlGaN基探测器的理论模型与仿真算法

2.1 PIN结构GaN/AlGaN基探测器的理论模型

2.2 PIN结构GaN/AlGaN基探测器的仿真算法

2.3本章小结

第三章 PIN结构GaN/AlGaN基核辐射探测器的性能仿真

3.1 核辐射探测器的相关参数

3.2 Visual-TCAD仿真软件介绍

3.3 PIN结构GaN/AlGaN基核辐射探测器的设计结构

3.4 器件仿真结构以及特性

3.5 本章小结

第四章 PIN结构GaN/AlGaN基核辐射探测器的性能优化

4.1 I区对探测器的性能影响及优化

4.2 P区参数设计对探测器的性能优化

4.3 N区参数设计对探测器的性能优化

4.5 本章小结

第五章 结构优化后核辐射探测器的性能测试

5.1 环境温度对探测器性能的影响

5.2 外加偏压对探测器性能的影响

5.3 对入射能量不同α粒子的探测性能

5.4 对入射能量不同β粒子的探测性能

5.5 本章小结

第六章 GaN基核辐射探测器的基本工艺实验

6.1 GaN基核辐射探测器的表面欧姆接触工艺实验

6.2 光刻板的制备

6.3 本章小结

第七章 研究总结与展望

7.1 研究总结

7.2 研究展望

致谢

参考文献

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摘要

以GaN材料为代表的第三代宽禁带半导体材料具有耐高压、耐高温、强抗辐射性等优点,这些良好的特性使其能够应用到核辐射探测领域,采用宽禁带半导体材料设计出新型结构的器件对于推动半导体材料器件的发展有着积极而重要的作用。  本文采用一种新型GaN/AlxGa1-xN结构设计出PIN型核辐射探测器,首先从理论上分析了GaN/AlxGa1-xN基核辐射探测器的工作原理,然后在理论分析计算的基础上设计出探测器结构参数并采用Visual-TCAD仿真软件构建器件结构并进行电学与Alpha粒子特性仿真。电学特性仿真方面从器件的能带结构、正反I-V特性、电势结构、载流子分布等方面详细分析探测器的机理特性。本文主要详细研究了探测器的Alpha粒子特性,采用最常用的入射能量为5.486Mev的α粒子对探测器进行粒子特性仿真,分析结果后在理论设计方案的基础上,对探测器P-I-N三个区域的厚度和掺杂浓度逐一进行多组数据仿真并对比进一步进行优化,以分辨时间、能量沉积率以及电荷收集能力三个性能参数为指标综合分析考虑不同参数设计对探测器性能的影响,结果表明窗口层和耗尽层的厚度、掺杂浓度对探测器的时间响应特性以及电荷收集率影响最大,最终得到探测器最优设计方案:厚度值P-I-N分别为0.2μm-10μm-5μm,P和N区重掺杂最优值1018cm-3和1019cm-3,I区掺杂浓度为1013cm-3,详细分析了各层厚度、掺杂浓度对三个性能指标产生的具体影响并总结出探测器设计规律。对结构优化后探测器从不同温度、不同偏压以及不同辐射源对器件性能的影响进行研究,并提出对于穿透性强的高能辐射源通过合理增加耗尽区厚度来提升探测器能量沉积率、电荷收集率。结果得到对于自然界常见的能量3-8Mev的α粒子探测的分辨时间2.65×10-11s-5.71×10-11s,3-6Mev的α粒子能量沉积率达到98%以上,对于100Kev能量以下的β粒子在分辨时间2.1×10-11s-6.02×10-11s,能量沉积率达到100%。最后通过实验得到探测器制备工艺中欧姆接触合金设计方案以及退火方案并设计制备出光刻板实物。

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