中國(guó)粉體網(wǎng)訊 輻射探測(cè)是一種重要的科技手段，它的應(yīng)用范圍極為廣泛，上到外太空探索，下到生活的方方面面，對(duì)于人類(lèi)的健康和生存、科學(xué)研究和社會(huì)發(fā)展都具有重要的意義。
為了確保輻射探測(cè)技術(shù)的安全應(yīng)用，對(duì)傳統(tǒng)半導(dǎo)體探測(cè)器的性能提出了新的要求，新一代探測(cè)器的研發(fā)迫在眉睫。相比傳統(tǒng)氣體、閃爍體、高純鍺，以及硅基等，金剛石擁有卓越的抗輻照性能以及超快的時(shí)間響應(yīng)，被認(rèn)為是用于脈沖輻射場(chǎng)/強(qiáng)輻射場(chǎng)最理想的半導(dǎo)體探測(cè)器材料，十分適合極端環(huán)境下的強(qiáng)輻射場(chǎng)測(cè)量。
金剛石的輻射探測(cè)優(yōu)勢(shì)
金剛石晶體的結(jié)構(gòu)中相鄰的碳原子通過(guò)四面體成鍵方式相連。每個(gè)碳原子的SP3雜化軌道與其他四個(gè)碳原子形成共價(jià)鍵，共享電子對(duì)。這種共價(jià)鍵的鍵長(zhǎng)約為1.55×10-10m，鍵角為109°28’，形成了正四面體的結(jié)構(gòu)。由于晶體結(jié)構(gòu)中C-C鍵很強(qiáng)，每個(gè)碳原子的所有價(jià)電子都參與了共享，無(wú)自由電子，這也造就了金剛石材料在電學(xué)、光學(xué)、力學(xué)等方面出色的性能。
金剛石的晶胞結(jié)構(gòu)
C的原子序數(shù)Z=6，較低的原子序數(shù)使它們?cè)诟吣芗?jí)聯(lián)和多重散射過(guò)程中受到的散射和損傷較少。此外，C元素的物理特性與人體肌肉和組織相似，因此它們可以用來(lái)模擬人體在輻射環(huán)境下的反應(yīng)和損傷。這種模擬對(duì)于放射性醫(yī)療研究和治療的發(fā)展非常重要，因?yàn)樗梢蕴峁└鼫?zhǔn)確的數(shù)據(jù)和評(píng)估，幫助科學(xué)家和醫(yī)生了解輻射對(duì)人體的影響，并改善治療方案的設(shè)計(jì)和效果。
金剛石具有較寬的禁帶寬度(Eg)為5.47eV，這意味著它具有較強(qiáng)的抗輻照特性及低的本征載流子濃度，以金剛石制成的探測(cè)器具有極低的暗電流，在低輻射下性能優(yōu)異。在晶體中，電子和空穴的遷移率(μ)分別為4500cm2/V·s和3800cm2/V·s，相對(duì)介電常數(shù)(εr)為5.7，同尺寸下寄生電容僅為硅的0.5倍。因此金剛石探測(cè)器可以實(shí)現(xiàn)ps級(jí)的響應(yīng)時(shí)間，輸出信號(hào)也可以獲得更低的噪聲水平。
金剛石與其他半導(dǎo)體材料參數(shù)對(duì)比
通過(guò)上表可以看出，金剛石較其他材料而言具有明顯的優(yōu)勢(shì)。以金剛石材料制成的探測(cè)器能夠檢測(cè)從α、γ、X射線(xiàn)到紫外光等不同類(lèi)型放射源，在快速時(shí)序應(yīng)用和環(huán)境輻射監(jiān)測(cè)方面具有良好的應(yīng)用前景。
金剛石輻射探測(cè)器工作原理
金剛石核探測(cè)器的響應(yīng)由四個(gè)階段組成，分別為能量沉積、電子空穴對(duì)的產(chǎn)生、非平衡載流子的輸運(yùn)、電子空穴對(duì)的收集。
金剛石探測(cè)器可以在多種輻射下工作，包括α粒子、β粒子、γ射線(xiàn)、X射線(xiàn)、中子核輻射、離子核輻射等。帶電粒子與金剛石材料主要發(fā)生電磁相互作用，具體作用過(guò)程為輻射粒子入射到晶體后會(huì)與晶體內(nèi)的價(jià)電子進(jìn)行一系列的碰撞，在這一過(guò)程中造成晶體內(nèi)價(jià)電子的電離或激發(fā)，形成許多電子-空穴對(duì)。通過(guò)外部電壓的驅(qū)動(dòng)下，電子-空穴對(duì)定向移動(dòng)產(chǎn)生微弱的電流信號(hào)，經(jīng)過(guò)外部前置放大電路的處理，即可在示波器觀察響應(yīng)信號(hào)的波形。
金剛石探測(cè)器工作原理示意圖
金剛石輻射探測(cè)器的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)
暗電流、能量分辨率、電荷收集率的高低是評(píng)估金剛石探測(cè)器好壞的重要指標(biāo)。高性能的金剛石探測(cè)器，一般具有低的暗電流、好的能量分辨率、高的電荷收集效率、對(duì)信號(hào)的快速響應(yīng)以及良好的耐輻射性和溫度穩(wěn)定性。
暗電流測(cè)試是指在不接受輻射粒子的作用下，通過(guò)在電極兩端施加電壓來(lái)測(cè)試其內(nèi)部漏電流。暗電流的量級(jí)是評(píng)價(jià)探測(cè)器的重要環(huán)節(jié)，高性能探測(cè)器其暗電流為pA甚至fA量級(jí)。探測(cè)器暗電流主要受探測(cè)器晶體材料的影響，雜質(zhì)及缺陷越少暗電流數(shù)值越低。
能量分辨率是指輻射探測(cè)器對(duì)輻照射線(xiàn)所攜帶能量大小的分辨能力。能量分辨率數(shù)值越小，則表示探測(cè)器對(duì)粒子能量的區(qū)分精度越高。能量分辨率也是判斷探測(cè)器性能的重要指標(biāo)，多種因素會(huì)對(duì)探測(cè)器的能量分辨率產(chǎn)生影響，但最為重要的仍是晶體質(zhì)量，晶體內(nèi)部的雜質(zhì)缺陷會(huì)俘獲輻照下電離產(chǎn)生的電子空穴對(duì)，在外電場(chǎng)的作用下會(huì)在金剛石內(nèi)部或表面產(chǎn)生極化現(xiàn)象。
探測(cè)器的電荷收集效率(CCE)是指探測(cè)器金屬電極兩端收集到的電荷量Qc與探測(cè)器在輻照下晶體內(nèi)部產(chǎn)生的電荷數(shù)Qin的比值,即: CCE=Qc/Qin。當(dāng)探測(cè)器外部電路增益不變的情況下，探測(cè)器電極收集到電荷的數(shù)量將會(huì)直接決定輸出信號(hào)脈沖的幅值。因此，電荷收集效率的高低會(huì)對(duì)探測(cè)器能量分辨率產(chǎn)生影響。電荷收集效率的高低也成為了評(píng)價(jià)探測(cè)器性能的重要參考。
未來(lái)與發(fā)展
隨著化學(xué)氣相沉積技術(shù)日臻成熟，金剛石核輻射探測(cè)器及其相關(guān)電子器件的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用得到極大促進(jìn)。金剛石核輻射探測(cè)器的品質(zhì)與金剛石材料中的雜質(zhì)和缺陷密切相關(guān)。雜質(zhì)和缺陷主要影響載流子的產(chǎn)生和輸運(yùn)，進(jìn)而影響探測(cè)器的電荷收集效率、響應(yīng)時(shí)間、信噪比等關(guān)鍵參數(shù)。
由于多晶金剛石中晶界的存在，其電荷輸運(yùn)性能遠(yuǎn)遜于單晶金剛石，因此高質(zhì)量金剛石核輻射探測(cè)器的制備材料通常使用“電子級(jí)”單晶金剛石。在晶體材料生長(zhǎng)方面，研究工作主要集中在大尺寸金剛石生長(zhǎng)和摻雜技術(shù)的研究上，尚未建立起適合金剛石核輻射探測(cè)器的材料篩選方法；同時(shí)探測(cè)器的器件結(jié)構(gòu)、金剛石微機(jī)電系統(tǒng)工藝、晶體的非破壞性表征以及器件物理機(jī)理等方面的基礎(chǔ)理論研究還需要進(jìn)一步加強(qiáng)。
近年來(lái)，我國(guó)的金剛石輻射探測(cè)器在電荷收集性能上取得突破性進(jìn)展，在器件和材料研究方面也正在迅速提升。2024年12月24日，中國(guó)粉體網(wǎng)將在河南·鄭州舉辦“2024半導(dǎo)體行業(yè)用金剛石材料技術(shù)大會(huì)”。屆時(shí)，我們邀請(qǐng)到西安電子科技大學(xué)張金風(fēng)教授出席本次大會(huì)并作題為《金剛石輻射探測(cè)器級(jí)材料制備和器件性能研究》的報(bào)告，將為您具體介紹金剛石輻射探測(cè)領(lǐng)域的國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展，及西安電子科技大學(xué)在金剛石輻射探測(cè)器和材料領(lǐng)域取得的重要進(jìn)展。
專(zhuān)家簡(jiǎn)介
張金風(fēng)，西安電子科技大學(xué)微電子學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師。郝躍院士寬禁帶半導(dǎo)體團(tuán)隊(duì)金剛石半導(dǎo)體方向帶頭人，國(guó)家級(jí)科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才。主持了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目，自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目等科研項(xiàng)目，出版國(guó)內(nèi)第一部氮化物半導(dǎo)體領(lǐng)域?qū)Ｖ兜飳捊麕О雽?dǎo)體材料和電子器件》以及金剛石半導(dǎo)體器件相關(guān)著作《金剛石半導(dǎo)體器件前沿技術(shù)》和《寬禁帶半導(dǎo)體核輻射探測(cè)器》, 發(fā)表學(xué)術(shù)論文70余篇，授權(quán)國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利40余項(xiàng)，獲得省部級(jí)一等獎(jiǎng)兩項(xiàng)和國(guó)家級(jí)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)獎(jiǎng)。
參考來(lái)源：
1.牟戀希等. CVD人造金剛石核輻射探測(cè)器研究進(jìn)展.人工晶體學(xué)報(bào)
2.趙鑫等. 金剛石核輻射探測(cè)器研究進(jìn)展.防化研究
3.劉群等. 高性能金剛石輻射探測(cè)器的研制與測(cè)試.蘭州大學(xué)學(xué)報(bào)
4.侯青峰. 金剛石α、γ粒子輻射探測(cè)器關(guān)鍵技術(shù)研究.中北大學(xué)
5.蘇凱等. 面向聚變中子探測(cè)的寬禁帶半導(dǎo)體探測(cè)器關(guān)鍵問(wèn)題與研究挑戰(zhàn).電子學(xué)報(bào)
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/輕言）
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