論文推介丨西北工業(yè)大學(xué) · 半導(dǎo)體輻射探測(cè)材料與器件研究進(jìn)展
自從1895年倫琴發(fā)現(xiàn)X射線以來(lái)，輻射探測(cè)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(wú)損檢測(cè)、核安全監(jiān)測(cè)、資源勘探、基礎(chǔ)科學(xué)和空間科學(xué)等諸多領(lǐng)域。從探測(cè)材料和工作原理劃分，輻射探測(cè)器主要可分為氣體探測(cè)器、閃爍體探測(cè)器和半導(dǎo)體探測(cè)器。半導(dǎo)體輻射探測(cè)器通常也被稱為“固體電離室”。相比于氣體電離室探測(cè)器，半導(dǎo)體探測(cè)器的材料密度更高，對(duì)射線的阻止能力更強(qiáng)；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(cè)器在輻射探測(cè)時(shí)需經(jīng)過(guò)射線-可見光-載流子的兩步轉(zhuǎn)換，半導(dǎo)體探測(cè)器可以直接完成射線-載流子轉(zhuǎn)換，探測(cè)原理和探測(cè)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在輕量便攜以及高性能要求的場(chǎng)合更具優(yōu)勢(shì)。
《人工晶體學(xué)報(bào)》2021年50卷第10期推出“輻射探測(cè)晶體”專題，來(lái)自西北工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院，輻射探測(cè)材料與器件工信部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室查鋼強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)撰寫了“半導(dǎo)體輻射探測(cè)材料與器件研究進(jìn)展”（第一作者：武蕊，通信作者：查鋼強(qiáng)）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(cè)器工作原理和信號(hào)處理過(guò)程入手，探討了不同輻射類型、不同應(yīng)用需求對(duì)半導(dǎo)體輻射探測(cè)器的性能要求以及探測(cè)器設(shè)計(jì)要點(diǎn)，并按照元素族序的順序?qū)Π雽?dǎo)體材料在輻射探測(cè)領(lǐng)域的性能表現(xiàn)和取得的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述。
論文題錄
武蕊,范東海,康陽(yáng),萬(wàn)鑫,郭晨,魏登科,陳冬雷,王濤,查鋼強(qiáng).半導(dǎo)體輻射探測(cè)材料與器件研究進(jìn)展[J].人工晶體學(xué)報(bào)，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(cè)器通過(guò)探測(cè)射線與探測(cè)材料相互作用的產(chǎn)物實(shí)現(xiàn)射線探測(cè)，作者首先總結(jié)了輻射探測(cè)領(lǐng)域主要關(guān)注的射線種類和各自的特點(diǎn)，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(guò)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(duì)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)
02
作者介紹了半導(dǎo)體輻射探測(cè)器工作原理以及電子學(xué)讀出系統(tǒng)的工作原理。將影響半導(dǎo)體材料輻射探測(cè)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(duì)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(cè)性能參數(shù)的影響。
圖4 半導(dǎo)體輻射探測(cè)器的工作原理及信號(hào)處理過(guò)程。(a)探測(cè)器產(chǎn)生感應(yīng)信號(hào)，(b)前置放大器初步放大，(c)主放大器濾波成形進(jìn)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(cè)器設(shè)計(jì)的三個(gè)主要階段。第一，明確探測(cè)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(jìn)行探測(cè)器材料的初選；第二，明確對(duì)探測(cè)材料性能的要求，包括載流子輸運(yùn)性能、電阻率、工作溫度、工作穩(wěn)定性和噪聲等，優(yōu)選探測(cè)材料；第三，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用對(duì)探測(cè)器整體性能的要求，完成包括探測(cè)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(jì)。并進(jìn)一步詳細(xì)論述了在不同的探測(cè)場(chǎng)景中，α粒子探測(cè)器、β射線探測(cè)器、X射線探測(cè)器、γ射線探測(cè)器以及中子探測(cè)器的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。
03
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(cè)材料的輻射探測(cè)性能和前沿進(jìn)展，重點(diǎn)闡述了鍺基探測(cè)器、硅基探測(cè)器、砷化鎵探測(cè)器、碲鋅鎘探測(cè)器、非晶硒探測(cè)器等器件的應(yīng)用情況。
圖5 科隆大學(xué)核物理研究所總結(jié)的高純鍺(HPGe)探測(cè)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
04
盡管半導(dǎo)體輻射探測(cè)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(zhǎng)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(lái)講：（1）半導(dǎo)體輻射探測(cè)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(zhǎng)技術(shù)，完善和豐富材料處理工藝。（2）半導(dǎo)體輻射探測(cè)器的設(shè)計(jì)與制備。建立完備的處理工藝方法庫(kù)、器件設(shè)計(jì)和質(zhì)量評(píng)價(jià)體系，明確輻射探測(cè)系統(tǒng)整體性能優(yōu)化原理。（3）輻射探測(cè)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(cè)領(lǐng)域?qū)椛涮綔y(cè)器的應(yīng)用需求，面向有輻射探測(cè)需求的各領(lǐng)域開發(fā)定制化、成本合理、技術(shù)指標(biāo)符合預(yù)期的輻射探測(cè)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(cè)器的原理、性能和設(shè)計(jì)
2.1 半導(dǎo)體探測(cè)器的工作原理
2.2 半導(dǎo)體材料對(duì)輻射探測(cè)性能的影響
2.3 半導(dǎo)體輻射探測(cè)器的設(shè)計(jì)要點(diǎn)
2.3.1 X射線探測(cè)器
2.3.2 伽馬射線探測(cè)器
2.3.3 α粒子探測(cè)器
2.3.4 β射線探測(cè)器
2.3.5 中子探測(cè)器
3 典型的半導(dǎo)體輻射探測(cè)材料
3.1. ⅣA族
3.1.1 鍺基和硅基探測(cè)器
3.1.2 金剛石和碳化硅探測(cè)器
3.2. ⅢA-ⅤA族
3.2.1 砷化鎵探測(cè)器
3.2.2 氮化硼和銻化銦探測(cè)器
3.3. ⅡB-ⅥA族
3.3.1 碲化鎘、碲鋅鎘和碲錳鎘探測(cè)器
3.3.2 非晶硒探測(cè)器
3.4. 其他族序
3.4.1 鈣鈦礦探測(cè)器
3.4.2 溴化鉈和含碘半導(dǎo)體探測(cè)器
4 半導(dǎo)體輻射探測(cè)器的發(fā)展
通訊作者
查鋼強(qiáng)（1980—），男，博士，西北工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師、教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才、國(guó)家萬(wàn)人計(jì)劃青年拔尖人才。主要研究方向?yàn)樾滦晚阡\鎘高能射線探測(cè)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(píng)價(jià)、缺陷調(diào)控與性能表征、器件設(shè)計(jì)與制備等方面開展了一系列的研究。主持國(guó)家自然科學(xué)基金、工信部民機(jī)科研項(xiàng)目、裝發(fā)軍用電子元器件項(xiàng)目等10余項(xiàng)科研項(xiàng)目，發(fā)表學(xué)術(shù)論文100余篇，申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利20余項(xiàng)。
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