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功率器件技术 宽禁带半导体 ★ 4.0

基于β-Ga₂O₃的热中子探测器演示

Demonstration of β-Ga2O3-Based Thermal Neutron Detector

作者 Xiangdong Meng · Xinyi Pei · Yuncheng Han · Na Sun · Zhaoxuan Fang · Lei Ren
期刊 IEEE Electron Device Letters
出版日期 2024年12月
技术分类 功率器件技术
技术标签 宽禁带半导体
相关度评分 ★★★★ 4.0 / 5.0
关键词 热中子探测器 β - Ga₂O₃ 异质结二极管 低漏电流 中子探测效率
语言:

中文摘要

利用超宽带隙半导体(如氧化镓(Ga₂O₃)和金刚石)的紧凑型、高精度、耐用型热中子探测器,在恶劣环境下对核反应堆进行安全、长期的堆芯附近监测方面具有巨大潜力。然而,实现低器件漏电流和高效中子探测仍然是一项重大挑战。在这项工作中,我们展示了首个基于大面积(9平方毫米)p - NiO/β - Ga₂O₃异质结二极管的热中子探测器。该器件的界面陷阱密度较低,这通过轻微的电容 - 频率色散和低1/f噪声等效功率得以证明,从而实现了超低漏电流(在 - 200 V时为10⁻⁸ A)。因此,它对α粒子(5.486 MeV)表现出高效的电荷收集效率,能量分辨率为10%。通过集成¹⁰B薄膜进行中子转换,我们实现了0.82%的本征中子探测效率,这接近蒙特卡罗方法的预测值,对应热中子探测效率为2.22%。这些发现凸显了β - Ga₂O₃在先进辐射监测应用中的潜力。

English Abstract

Compact, accurate, and durable thermal neutron detectors utilizing ultra-wide bandgap semiconductors, such as gallium oxide (Ga2O _3 ) and diamond, hold great promise for the safe and long-term near-core monitoring of nuclear reactors in harsh environments. However, achieving low device leakage and efficient neutron detection remains a significant challenge. In this work, we demonstrate the first thermal neutron detector based on a large-area (9 mm ^2 ) p-NiO/ -Ga2O3 heterojunction diode. The device benefits from a low interfacial trap density, as demonstrated by the slight capacitance-frequency dispersion and low 1/f noise-equivalent power, resulting in an ultralow leakage current of 10^-8 A (at −200 V). Consequently, it exhibits efficient charge collection efficiency for alpha particles (5.486 MeV) with an energy resolution of 10%. By integrating 10B film for neutron conversion, we achieved an intrinsic neutron detection efficiency of 0.82%, which approaches the predicted value from the Monte Carlo method, corresponding to 2.22% for thermal neutrons. These findings underscore the potential of -Ga2O3 for applications in advanced radiation monitoring.
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SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项基于β-Ga2O3的热中子探测器技术虽然聚焦于核辐射监测领域,但其底层的超宽禁带半导体材料技术与我们在功率电子器件领域的发展方向存在重要关联性。

β-Ga2O3作为新一代超宽禁带半导体材料,其禁带宽度达4.8eV,远超碳化硅(3.3eV)和氮化镓(3.4eV)。论文展示的p-NiO/β-Ga2O3异质结器件实现了10^-8 A的超低漏电流和优异的界面特性,这些性能指标对我们开发下一代高压、高温功率器件具有重要参考价值。在光伏逆变器和储能变流器应用中,更宽的禁带宽度意味着更高的击穿电压、更低的导通损耗和更优的高温工作能力,这直接关系到系统效率提升和成本降低。

该技术展现的大面积器件制造能力(9mm²)和低界面陷阱密度控制技术,为Ga2O3功率器件的产业化提供了工艺可行性验证。特别是异质结设计思路,可为解决Ga2O3缺乏p型掺杂这一关键瓶颈提供替代方案。然而,我们也需要认识到,该技术目前仍处于实验室验证阶段,距离功率电子应用还面临诸多挑战:包括材料成本、热管理、长期可靠性验证等。

建议我们持续跟踪Ga2O3功率器件的技术进展,评估其在1500V及以上高压光伏系统、高功率密度储能变流器中的应用潜力,并适时布局相关技术储备,以保持在功率半导体技术演进中的前瞻性。