論文推介丨西北工業(yè)大學 · 半導(dǎo)體輻射探測材料與器件研究進展
自從1895年倫琴發(fā)現(xiàn)X射線以來，輻射探測技術(shù)快速發(fā)展，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于醫(yī)療影像、安檢安防、工業(yè)無損檢測、核安全監(jiān)測、資源勘探、基礎(chǔ)科學和空間科學等諸多領(lǐng)域。從探測材料和工作原理劃分，輻射探測器主要可分為氣體探測器、閃爍體探測器和半導(dǎo)體探測器。半導(dǎo)體輻射探測器通常也被稱為“固體電離室”。相比于氣體電離室探測器，半導(dǎo)體探測器的材料密度更高，對射線的阻止能力更強；半導(dǎo)體中載流子的平均電離能僅為氣體的1/10，具有更高的能量分辨率。相比于閃爍體探測器在輻射探測時需經(jīng)過射線-可見光-載流子的兩步轉(zhuǎn)換，半導(dǎo)體探測器可以直接完成射線-載流子轉(zhuǎn)換，探測原理和探測器結(jié)構(gòu)簡單，在輕量便攜以及高性能要求的場合更具優(yōu)勢。
《人工晶體學報》2021年50卷第10期推出“輻射探測晶體”專題，來自西北工業(yè)大學材料學院，輻射探測材料與器件工信部重點實驗室查鋼強教授團隊撰寫了“半導(dǎo)體輻射探測材料與器件研究進展”（第一作者：武蕊，通信作者：查鋼強）的綜述，從各類射線與半導(dǎo)體材料的相互作用以及半導(dǎo)體探測器工作原理和信號處理過程入手，探討了不同輻射類型、不同應(yīng)用需求對半導(dǎo)體輻射探測器的性能要求以及探測器設(shè)計要點，并按照元素族序的順序?qū)Π雽?dǎo)體材料在輻射探測領(lǐng)域的性能表現(xiàn)和取得的研究進展進行了綜述。
論文題錄
武蕊,范東海,康陽,萬鑫,郭晨,魏登科,陳冬雷,王濤,查鋼強.半導(dǎo)體輻射探測材料與器件研究進展[J].人工晶體學報，2021，50（10）:1813-1829.
WU Rui, FAN Donghai, KANG Yang, WAN Xin, GUO Chen, WEI Dengke, CHEN Donglei, WANG Tao, ZHA Gangqiang. Research Progress on Semiconductor Materials and Devices for Radiation Detection[J]. Journal of Synthetic Crystal, 2021, 50(10): 1813-1829.
文章導(dǎo)讀
01 輻射探測器通過探測射線與探測材料相互作用的產(chǎn)物實現(xiàn)射線探測，作者首先總結(jié)了輻射探測領(lǐng)域主要關(guān)注的射線種類和各自的特點，闡述了α粒子、β射線、X射線、γ射線以及中子與半導(dǎo)體材料的相互作用過程。
表1 輻射的主要類型、物質(zhì)本質(zhì)和能量區(qū)間
圖1 SIMON等在Physics in Nuclear Medicine一書中繪制的(a)α粒子數(shù)目隨吸收材料厚度的衰減情況，(b)β粒子數(shù)目隨吸收材料厚度的衰減情況
圖2 SIMON等在Physics in Nuclear Medicine一書中繪制的X射線和γ射線與物質(zhì)的相互作用示意圖。(a)光電效應(yīng)；(b)康普頓效應(yīng)；(c)電子對產(chǎn)生效應(yīng)；(d)材料原子序數(shù)和光子能量與射線與物質(zhì)相互作用類型的關(guān)系
圖3 中子與物質(zhì)的相互作用示意圖。(a)彈性散射；(b)非彈性散射；(c)輻射俘獲效應(yīng)；(d)核反應(yīng)
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作者介紹了半導(dǎo)體輻射探測器工作原理以及電子學讀出系統(tǒng)的工作原理。將影響半導(dǎo)體材料輻射探測性能的因素歸結(jié)于禁帶寬度和晶體缺陷，并論述了二者對平均電離能、電阻率、耐壓、工作溫度、能量響應(yīng)下限、耐輻照性、載流子遷移率、多子和導(dǎo)電類型、非平衡載流子壽命等半導(dǎo)體材料輻射探測性能參數(shù)的影響。
圖4 半導(dǎo)體輻射探測器的工作原理及信號處理過程。(a)探測器產(chǎn)生感應(yīng)信號，(b)前置放大器初步放大，(c)主放大器濾波成形進一步放大，(d)多道脈沖分析儀分道處理形成能譜
作者總結(jié)了半導(dǎo)體探測器設(shè)計的三個主要階段。第一，明確探測的輻射類型、能量區(qū)間、相互作用類型、作用截面等物理參數(shù)，進行探測器材料的初選；第二，明確對探測材料性能的要求，包括載流子輸運性能、電阻率、工作溫度、工作穩(wěn)定性和噪聲等，優(yōu)選探測材料；第三，結(jié)合實際應(yīng)用對探測器整體性能的要求，完成包括探測器尺寸、排布、電極和輔助器件在內(nèi)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計。并進一步詳細論述了在不同的探測場景中，α粒子探測器、β射線探測器、X射線探測器、γ射線探測器以及中子探測器的設(shè)計要點。
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在這一小節(jié)中作者介紹了16種典型的半導(dǎo)體輻射探測材料的輻射探測性能和前沿進展，重點闡述了鍺基探測器、硅基探測器、砷化鎵探測器、碲鋅鎘探測器、非晶硒探測器等器件的應(yīng)用情況。
圖5 科隆大學核物理研究所總結(jié)的高純鍺(HPGe)探測器的常見構(gòu)型。按閱讀順序依次為平面型、半同軸型、同軸型、井型、n型單端同軸型和p型單端同軸型
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盡管半導(dǎo)體輻射探測器的開發(fā)和應(yīng)用已初具規(guī)模，但距離大批量商業(yè)化應(yīng)用還有較長的路，在材料、器件和系統(tǒng)集成方面還存在一些需要大力發(fā)展的方向。具體來講：（1）半導(dǎo)體輻射探測材料的制備和處理。突破大尺寸、高質(zhì)量、低成本半導(dǎo)體單晶體生長技術(shù)，完善和豐富材料處理工藝。（2）半導(dǎo)體輻射探測器的設(shè)計與制備。建立完備的處理工藝方法庫、器件設(shè)計和質(zhì)量評價體系，明確輻射探測系統(tǒng)整體性能優(yōu)化原理。（3）輻射探測與成像系統(tǒng)集成與應(yīng)用開發(fā)。一方面深刻理解各輻射探測領(lǐng)域?qū)椛涮綔y器的應(yīng)用需求，面向有輻射探測需求的各領(lǐng)域開發(fā)定制化、成本合理、技術(shù)指標符合預(yù)期的輻射探測設(shè)備。
//主要章節(jié)
1 輻射與物質(zhì)的相互作用
1.1 α粒子和β射線
1.2 X射線和γ射線
1.3 中子
2 半導(dǎo)體輻射探測器的原理、性能和設(shè)計
2.1 半導(dǎo)體探測器的工作原理
2.2 半導(dǎo)體材料對輻射探測性能的影響
2.3 半導(dǎo)體輻射探測器的設(shè)計要點
2.3.1 X射線探測器
2.3.2 伽馬射線探測器
2.3.3 α粒子探測器
2.3.4 β射線探測器
2.3.5 中子探測器
3 典型的半導(dǎo)體輻射探測材料
3.1. ⅣA族
3.1.1 鍺基和硅基探測器
3.1.2 金剛石和碳化硅探測器
3.2. ⅢA-ⅤA族
3.2.1 砷化鎵探測器
3.2.2 氮化硼和銻化銦探測器
3.3. ⅡB-ⅥA族
3.3.1 碲化鎘、碲鋅鎘和碲錳鎘探測器
3.3.2 非晶硒探測器
3.4. 其他族序
3.4.1 鈣鈦礦探測器
3.4.2 溴化鉈和含碘半導(dǎo)體探測器
4 半導(dǎo)體輻射探測器的發(fā)展
通訊作者
查鋼強（1980—），男，博士，西北工業(yè)大學材料學院教授、博士生導(dǎo)師、教育部新世紀優(yōu)秀人才、國家萬人計劃青年拔尖人才。主要研究方向為新型碲鋅鎘高能射線探測器的研制及應(yīng)用開發(fā)，在低成本碲鋅鎘材料制備、晶體加工處理與質(zhì)量評價、缺陷調(diào)控與性能表征、器件設(shè)計與制備等方面開展了一系列的研究。主持國家自然科學基金、工信部民機科研項目、裝發(fā)軍用電子元器件項目等10余項科研項目，發(fā)表學術(shù)論文100余篇，申請國家發(fā)明專利20余項。
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