中子不带电,它与原子核相互作用时不受库仑势力的阻挡。先进的中子探测技术是开展精密中子物理实验的基础,在核反应堆、新能源技术、核武器研究和设计等领域发挥着重要作用。然而,中子探测器在中子探测技术中是最前端器件且最为关键部件之一。目前,基于核反应法制备的第一代6Li夹心半导体硅中子探测器具有功耗低、线性响应范围宽、响应时间快、n/γ分辨率好、体积小、工作电压低等优点被广泛采用,在许多应用领域替代3He正比计数管、BF3正比计数管和闪烁体探测器。但是,在中子测井、油气勘探、地下探矿、核电站放射性检测等领域,中子探测器面临高温或强辐射的恶劣工作环境。这些应用领域都对半导体中子探测器提出了新的性能要求。由于第三代宽禁带氮化镓材料具有禁带宽度大、位阈能大、高击穿电场、高电子饱和速率、高热导率、高击穿电场和良好的化学稳定性等优异特性,基于GaN基的中子探测器具有耐辐照、耐高温、线性响应范围宽、响应时间快、n/γ分辨率好、体积小、工作电压低等优点,非常适合作为新一代半导体中子探测器,具有很好的应用前景。本文根据中子与GaN的相互作用和探测机理,围绕GaN器件的制备工艺和中子转换层的性质及特点,设计并制备了 GaN基中子探测器,并对其性能和相关物理机制进行了系统研究。本文主要研究内容和结果如下:(1)利用SRIM及MCNP软件模拟仿真了 alpha粒子在GaN材料中的射程、电荷输运特性、器件结构对电荷收集效率的影响,建立了 alpha粒子探测器的仿真模型;仿真了不同厚度的6LiF转换层对中子转换效率的影响。根据理论仿真分析结果,设计了探测器的器件结构。利用MOCVD法在蓝宝石衬底上外延生长了 GaN基pin结构,讨论了 n和p型GaN的欧姆接触及肖特基接触,分析了界面态对欧姆接触及肖特基接触的影响;并且根据讨论结果,制备了 pin结构alpha粒子探测器。根据制备的pin探测器,测试了探测器的电学性能,包括I-V、C-V;利用241Am源,测试了器件在不同电压不同面积下的电荷收集效率,alpha能谱。测试结果表明,由于GaN存在着很强的极化效应,在偏压为0V时,探测器的漏电流最小,能谱分辨率最好。(2)GaN作为第三代宽禁带直隙半导体材料,应用在核辐射探测方面的主要优势是耐高温和耐辐照。本文开展了 GaN基pin探测器的高温测试,测试温度范围从290 K到475 K。测试结果表明,当温度升高到475 K时,探测器的FWHM变化很小。由此说明,GaN基核辐射探测器能够工作在475 K以上的环境中。本文还开展了高能10 MeV电子辐照对GaN基pin alpha粒子探测器性能影响的实验研究。采用不同注入剂量的电子,对探测器的电学性能、alpha粒子能谱等特性进行了详细的测试和分析。研究结果表明,当注入剂量大于100KGy时,器件的性能开始退化,电荷收集效率也开始变差。(3)基于核反应法探测中子的原理,针对中子转换层的关键材料6LiF,模拟仿真了不同厚度对中子转换效率的影响;结合目前转换层的薄膜制备方法的难点,重点开展了热蒸发和溶胶法制备6LiF薄膜工艺的研究,从表面形貌、晶体质量和薄膜生长速率方面,探讨了不同工艺条件下的制备方法。研究结果表明,该法工艺简单,制备的薄膜性能较好。结合制备的6LiF中子转换层,利用241Am-Be快中子中子源开展了 GaN基pin中子探测器的快中子的测量实验研究,利用高密度聚乙烯将快中子转换为热中子,采用脉冲计数,实现了中子探测。实验结果表明,当6LiF的厚度为16.9μm,聚乙烯厚度为7mm,反向偏压为-10V时,探测器的中子探测效率为1.7%。通过对GaN基中子探测器的理论分析、模拟仿真、器件结构设计、外延生长及表征、alpha粒子探测性能、耐高温和耐辐照性能测试、6LiF制备及快中子探测性能等关键问题进行了有针对性的研究。扩展了 GaN基核辐射探测器的应用领域,在国际上首次成功的制备了基于6LiF的GaN基中子探测器。基于以上研究工作,证明了 GaN材料作为核辐射探测器具有耐高温和耐辐照优势,可以开展GaN基核辐射探测器在工业中的应用。