Toward achieving cost-effective hexagonal BN semi-bulk crystals and BN neutron detectors via halide vapor phase epitaxy

材料科学 金属有机气相外延 化学气相沉积 中子探测 光电子学 薄脆饼 外延 半导体 纳米技术 探测器 光学 物理 图层(电子)
作者
Z. Alemoush,Nazir Hossain,A. Tingsuwatit,M. Almohammad,J. Li,J. Y. Lin,H. X. Jiang
出处
期刊:Applied Physics Letters [American Institute of Physics]
卷期号:122 (1) 被引量:18
标识
DOI:10.1063/5.0134858
摘要

Presently, thermal neutron detectors fabricated from boron-10 enriched hexagonal boron nitride (h-10BN) ultrawide bandgap semiconductor grown by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) hold the record high detection efficiency among all solid-state detectors at 59%. To overcome the short comings of MOCVD growth, including inherently low growth rate and unavoidable impurities such as carbon in metal organic source, we demonstrate here the growth of natural hexagonal boron nitride (h-BN) semi-bulk wafers using halide vapor phase epitaxy (HVPE), which is an established technique for producing GaN semi-bulk crystals at a high growth rate. Electrical transport characterization results revealed that these HVPE grown materials possess an electrical resistivity of 1 × 1013 Ω cm, and a charge carrier mobility and lifetime product of 2 × 10−4 cm2/V s. Detectors fabricated from a 100 μm thick h-BN wafer have demonstrated a thermal neutron detection efficiency of 20%, corresponding to a charge collection efficiency of ∼60% at an operating voltage of 500 V. This initial demonstration opens the door for mass producing high efficiency h-BN semiconductor neutron detectors at a reduced cost, which could create unprecedented applications in nuclear energy, national security, nuclear waste monitoring and management, the health care industry, and material sciences.
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