一、引言

粒子物理实验是最基本的科学实验之一，它涉及研究微观物质的相互作用和结构。传统的硅探测器是在P-N结型硅片半导体探测器外侧敷盖多个金属微条以确定粒子位置的粒子探测器。但由于传统硅具有一定局限性，例如抗辐照性能差，需要更换内层探测器；辐照后漏电流增高，需要在低温下运行等不足，逐渐不适用于半导体行业的运用。碳化硅是半导体材料发展到最新一代的产物，碳化硅基的尺寸相较于传统硅减少了80%，能量损耗可以减少为同开关频率硅基IGBT的30%，碳化硅(Si-C)材料制备的探测器具有小巧轻便、构造简单、成本低等优势，碳化硅探测器在碳化硅材料禁带宽度器大、本征载流子浓度低、抗辐射能力强，在快时间探测及诸多军事和民用领域有着极高的应用潜力^[1]。

二、硅与碳化硅的物理性质

2.1 硅

硅（Si）是极为常见的一种元素，在地壳中含量约为26.4%，以复杂的硅酸盐或二氧化硅的形式，广泛存在于岩石，沙砾之中。传统硅酸盐材料的主要原料是天然硅酸盐矿物， 是地壳中含量最丰富的矿物之一。传统上用于制造陶瓷、玻璃、瓷器、水泥等硅酸盐材料。随着化学工业的发展，已扩展到耐火材料和耐酸材料。通过高温烧制来进行加工，广泛应用于各个领域。

2.2 碳化硅

碳化硅(Si-C)是Ⅳ-Ⅳ族二元化合物半导体，是第3代宽禁带半导体材料，具有禁带宽度大、热稳定性好、击穿场强高、耐辐照等特点。适用于反应堆监测、乏燃料监管、高能物理实验和航天航空等高温、强辐射环境下的辐射监测^[4]。Si-C材料生长技术和器件制作工艺成熟度较高，探测器制作涉及的大面积衬底制作、低掺杂外延生长技术、可靠的电接触工艺等问题均已解决。4H-SiC是用于制作半导体探测器的理想选择之一^[2]。近年来国内选择外延式Si-C材料，成功突破了高电荷收集效率(近100% )的厘米级探测器制作难题，并成功将其应用于中子、带电粒子和 X 射线等辐射探测中^[3]。

2.3 硅与碳化硅的物理性质对比

由碳化硅制成的第三代宽带隙半导体材料不同于其他材料制成的宽带隙材料，其与硅的物理性质对比如图1，2所示，碳化硅具有高临界击穿电场，高导热性，高饱和度与漂移速度，高电子迁移率等特点。

宽带隙：带隙在半导体中又称能隙、禁带宽度。碳化硅具有很宽的带隙，通常在2.2~3.4电子伏特之间，这使得探测γ等高能辐射的辐射是有效的。更宽的带隙使其能够更有效地传播信号，有助于提高探测器的能量分辨率和探测效率。它们能够处理大量数据，并具有更多的功能和可编程性。宽带隙半导体具有更低的泄露和更高的效率、耐用性、可靠性和可操作性。

高饱和漂移速度：碳化硅具有高饱和漂移速度，电子注能力很强，即在高电场的作用下，载流子可以以更高的速度移动，元器件则能在高频率下稳定工作。这对高能探测器来说很重要，因为它们需要能够处理高水平的辐射。在高速数字电路中，电子饱和漂移速度高的硅材料可以用更快的速度传输数据，实现在低功耗情况下更高的工作频率。此外，高饱和漂移速度可以提高器件的准确性和稳定性，降低了反向击穿电压和漏电流。

高电子迁移率：碳化硅具有高电子迁移率，这意味着电子可以在电场中更快地移动，从而提供更快的信号响应和更好的时间分辨率。这对于需要快速响应和精确时间测量的高能探测器尤为重要。4H-SiC(PIN)结构已经达到小于100ps的精度等级，4H-SiC-LGAD 现有仿真模拟已经能达到35ps的时间精度，3D-4H-SiC在未来有望达到25ps的时间精度。

以上碳化硅的物理性质，给新型碳化硅探测器实现耐高温、高压、高效、高频、高功率密度探测提供可能。

图1：硅与碳化硅的物理性质对比表格

图2：硅与碳化硅的物理性质对比图

三、快时间探测实验与分析

高能物理学又称粒子物理学或基本粒子物理学，是研究组成物质和射线的基本粒子以及它们之间相互作用的物理学的一个分支学科。

许多基本粒子在自然的一般条件下不存在或不单独存在，只有使用粒子加速器在高能相撞的条件下才能产生和研究它们。粒子加速器使用人工方法把带电粒子加速到较高能级使粒子相撞后产生基本粒子使用探测器探测基本粒子的基本性质以及出现的空间位置及出现几率。在一次高能粒子相撞的过程中时间极短且大量粒子发生对撞，以CERN-LHC大型强子对撞机为例，每次对撞实验堆积事例数可达200，在事例堆积效应严重的情况需要提高探测的时间分辨来测量粒子到达时间用以避免事例堆积，区分不同碰撞，如图3所示^[8]。

经过多次实验数据的拟合，发现一次对撞过程中事例堆积数随时间的图像可用高斯分布拟合，σ可视为时间分辨率，σ过大会导致这200个事例被探测器探测后仅在示波器上显示的波形数量远小于发生对撞的事例数，不利于精准分辨位置及时间。因此需要对快时间探测进行研究，达到精准位置、时间分辨的目的^[2]。

图3：快时间探测的时间分辨原理示例^[2]

3.1  LGAD探测器快时间探测

 现阶段硅探测器的在快时间探测方面有了一定的成果，LGAD探测器是一种硅基半导体探测器，其在快时间探测方面有更高的精确度和时间分辨率。但硅探测器仍然有抗辐照能力较差等问题仍然有待解决，以下对LGAD探测器在快时间探测上的性能与受到辐射损伤的影响进行实验与分析。

3.2实验结果与分析

使用探针扎入LGAD探测器的两个电极，分别连接高压源和接地，加入反向偏压。缓慢升高电压，使LGAD探测器中间形成电势差逐渐升高，测量不同电势差下通过探测器的电流值，编写程序画出加反向偏压后的V-I散点图。对所有LGAD样品施加反向偏压的电压(V)与被检测到电流(I)观测数据结果如图4所示，LGAD-a组检测结果较符合理论值如图5所示，LGAD-d组有较大检测电流波动如图6所示。

图4：对所有LGAD样品施加反向偏压的电压(V)与被检测到电流(I)的检测结果

图5：LGAD-a检测结果                 图6：LGAD-d组检测结果

由于噪声产生的干扰、探针与电极接触不良等原因，会造成电流出现波动和数值上呈现负值。图4中的8组实验数据可以观察到其中6组数据都有超过50%的电流值小于零，一般情况下可以将其判定为无效数据，不予讨论。在剩余的两组数据中，绝大部分电流出现在10^^-10数量级上，对比室温下受不同辐照量的探测器在不同电压下的V-I图像，可以发现实验过程中高压源提供的电压（小于等于500V）没有达到或超出实验所用探测器的工作电压，由此可以推断这块实验探测器已经经过了较强的辐照，根据图6中数据可推测此探测器受到了大约10^¹⁵的辐照计量，性能损伤较为严重^[5]。

实验过程中发现此辐照损伤较大的探测器在加到一定电压时出现电流突然增大的情况，对此进行讨论。实验所用的LGAD探测器为PN结，在出现非电离辐照损伤即位移损伤时会出现电子-空穴对以及陷阱，载流子在发生能级跃迁时会跃迁到陷阱上并被陷阱捕获，因此会在电压升高时被捕获的电子-空穴对被捕获从而使得载流子减少，即载流子发生复合电流减小，但由于加反向偏压后，所在的P-N结会形成较宽的耗尽区，在耗尽区内陷阱也为载流子发生能级跃迁提供了能量阶梯，使载流子更容易发生能级跃迁从而增大电流。由于载流子发生复合的速率小于载流子发生能级跃迁的速率，所用出现电流随反向偏压增大而增大的情况。LGAD探测器在快时间探测方面有了更高的精确度和时间分辨率^[6][7]。

四、结论与展望

新型硅LGAD探测器在快时间探测方面有了更高的精确度和时间分辨率，但硅探测器仍然有抗辐照能力较差等问题。通过传统硅以及碳化硅的物理性质对比，发现碳化硅作为第三代半导体材料在禁带宽度、临界击穿电场、电子及空穴迁移率等方面的性质均体现出比传统硅更优秀的性质，新型碳化硅探测器能够解决硅探测器抗辐照能力较差的问题，有成为拥有更高时间分辨率及精度探测器的潜力，且目前在实验室模拟及测试中有良好表现，在未来能够投入使用时在高能物理实验中有较好的成果。

参考文献

[1] 金誉半导体，2022-10-08，碳化硅和传统硅有什么区别？碳化硅功率器件封装后有哪几项测试？

[2] 刘林月,张建福,李辉等.碳化硅探测器的时间响应研究[J].哈尔滨工程大学学报,2022,43(11):1547-1552.

[3] 刘林月,欧阳晓平,张显鹏等.碳化硅探测器的最大线性电流研究[J].原子能科学技术,2022,56(10):1987-1995.

[4] 唐彬,蔡军,黄文博等.基于碳化硅中子探测器的实验研究[J].辐射研究与辐射工艺学报,2020,38(05):71-76.

[5] Yuzhen Yang, et al., Characterization of the first prototype NDL Low Gain Avalanche Detectors (LGAD), Nuclear Inst. and Methods in Physics Research, A 1011 (2021) 165591.  https://doi.org/10.1016/j.nima.2021.165591.

[6] Y. Tan, et al., Radiation effects on NDL prototype LGAD sensors after proton irradiation, Nucl. Instrum. Methods A 1010 (2021).

https://doi.org/10.1016/j.nima.2021.165559.

[7] S. Xiao, et al., Beam test results of NDL Low Gain Avalanche Detectors (LGAD), Nucl. Instrum. Methods A 989 (2021). https://doi.org/10.1016/j.nima.2020.164956.

[8] ATLAS Collaboration, Technical Design Report: A High-Granularity Timing Detector for the ATLAS Phase-II Upgrade, CERN, 2020, https://cds.cern.ch/record/2719855.