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第三代半導(dǎo)體輻射探測器研究進(jìn)展
以氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC）、金剛石等為代表的第三代半導(dǎo)體具有大的禁帶寬度、高擊穿電場、高飽和電子速率、高熱導(dǎo)率以及具有高的位移閾能，耐高溫、耐輻照能力，在核裝置運(yùn)行監(jiān)測、空間探測、高能粒子物理探測等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用潛力。
本文介紹了第三代半導(dǎo)體的相關(guān)性質(zhì)、輻射探測器主要制備方法以及不同類型輻射探測器的研究進(jìn)展，展望了第三代半導(dǎo)體在輻射探測方面的發(fā)展趨勢。提出第三代半導(dǎo)體輻射探測器的出現(xiàn)必然會(huì)促進(jìn)核科學(xué)、空間探測、粒子及高能物理等方面的研究，對于國家提升核心競爭力具有重要的推動(dòng)作用。
近年來，隨著核聚變反應(yīng)堆芯、高能物理研究、深空探測等極端環(huán)境對探測器的抗輻照、耐高溫性能的強(qiáng)烈需求，第三代半導(dǎo)體輻射探測器成為研究熱點(diǎn)。
探測器的一個(gè)重要指標(biāo)是抗輻照能力。第三代半導(dǎo)體材料較Si材料具有更大的位移閾能、更寬的帶隙，具有天然的抗輻照、耐高溫的優(yōu)勢。
此外，第三代半導(dǎo)體的發(fā)光器件、電力電子器件研究有了巨大的進(jìn)步，這些進(jìn)步帶動(dòng)了材料晶體質(zhì)量與器件工藝的提高，使它在輻射探測器方面的應(yīng)用潛力也逐漸顯現(xiàn)。
SiC輻射探測器的研究
SiC材料的基本性質(zhì)
SiC晶體有200多種異構(gòu)體，最常見的為3C-SiC、4H-SiC（應(yīng)用最廣泛）、6H-SiC。
SiC在室溫下具有禁帶寬度大、良好的抗輻射能力，具有極高的擊穿電場強(qiáng)，使得器件能夠耐高壓及耐高電流密度；較大的飽和電子遷移速率可以提高探測器的電荷響應(yīng)速度；具有較高的熱傳導(dǎo)和良好的散熱性質(zhì)，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定；器件具有電阻率高、暗電流小等特性。
SiC能夠獲得較大的晶體尺寸、相對較低的單晶價(jià)格以及更好的晶體質(zhì)量，是第三代半導(dǎo)體中研究最為深入的探測器。
SiC輻射探測器主要研究進(jìn)展
SiC材料最初是在19世紀(jì)被發(fā)現(xiàn)的，當(dāng)時(shí)需要通過冶煉產(chǎn)生，而SiC帶電粒子探測器的研究可以追溯到20世紀(jì)50年代，1957年就有關(guān)于SiC中子探測器的報(bào)道。
到20世紀(jì)90年代后期，人們開展了大量卓有成效的研究工作，顯著減少了SiC晶體生長過程中產(chǎn)生的缺陷（如位錯(cuò)、微管等），同時(shí)可控?fù)诫s工藝也獲得顯著提高，使得高性能SiC器件制造技術(shù)得到飛躍式發(fā)展。
此外，在核物理實(shí)驗(yàn)的重帶粒子鑒別；激光等離子體實(shí)驗(yàn)中質(zhì)子束的監(jiān)測、核聚變中α粒子診斷等方面也具有重要應(yīng)用。近幾年，還出現(xiàn)了一些復(fù)雜結(jié)構(gòu)的SiC探測器。
中子探測技術(shù)在空間輻射環(huán)境探測、違禁品檢測、科學(xué)實(shí)驗(yàn)、醫(yī)學(xué)、軍事及工業(yè)等眾多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。SiC較Si具有更強(qiáng)的耐輻照能力，SiC中的12C和28Si可與快中子反應(yīng)釋放α粒子，α粒子與SiC作用產(chǎn)生電子-空穴對，實(shí)現(xiàn)對快中子探測。
由于SiC探測器采用了外延技術(shù)，靈敏區(qū)較薄，只能探測低能χ和γ射線，要想實(shí)現(xiàn)高能射線探測，采用的體單晶質(zhì)量還有待提高，能譜測試較難。盡管如此，在同步輻射中，SiC探測器在X射線能量探測及束流監(jiān)測等方面仍得以應(yīng)用。
近年來，我國開始大力扶持半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)有了快速發(fā)展，在SiC襯底材料及其外延薄膜生長技術(shù)、器件制備工藝和輻照效應(yīng)等方面取得很大進(jìn)展，與國外SiC探測器的研究差距在逐步縮小，在某些方面甚至領(lǐng)先于國外。
SiC輻射探測器發(fā)展中的問題
SiC的外延片已經(jīng)可以滿足質(zhì)量要求，但是受外延厚度所限，對于高能重粒子、χ和γ射線還很難滿足厚度要求。
對于SiC單晶，隨著晶體質(zhì)量的提高也可擴(kuò)展探測器的應(yīng)用范圍。
另外，隨著器件工藝的發(fā)展，可用于超快探測的3D結(jié)構(gòu)以及用于高效中子探測的微結(jié)構(gòu)SiC探測器也成為必然需求。
這些研究勢必促進(jìn)SiC探測器在高注量下超快輻射測試、近核監(jiān)測、空間核反應(yīng)堆電源的中子監(jiān)測、核聚變、自由電子激光等領(lǐng)域的快速應(yīng)用。
GaN輻射探測器研究
GaN材料的基本性質(zhì)
GaN是一種直接帶隙半導(dǎo)體，熱力學(xué)穩(wěn)定相為六角纖鋅礦結(jié)構(gòu)。
GaN薄膜生長的最大困難是缺乏足夠大尺寸的單晶作為同質(zhì)外延襯底，因此通常生長在異質(zhì)襯底上，但仍會(huì)存在高位錯(cuò)密度。
而在GaN生長前添加薄的AlN成核層可以在一定程度上緩解晶格失配，該方法至今仍被廣泛應(yīng)用于GaN薄膜的商業(yè)化生產(chǎn)。
GaN的鋅閃鋅礦和纖鋅礦結(jié)構(gòu)
目前，GaN薄膜生長技術(shù)包括金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）和分子束外延（MBE）。
MBE具有工藝控制精確、生長溫度低、工作壓力低等優(yōu)點(diǎn)，但由于MBE的GaN生長速度相對較慢，且運(yùn)行成本較高，大多局限于實(shí)驗(yàn)室研究。
在MOCVD中，采用側(cè)向外延生長技術(shù)（ELOG）可以制備高質(zhì)量的GaN薄膜，而MOCVD的高產(chǎn)量也決定了它目前在商業(yè)大規(guī)模GaN外延生長中的廣泛應(yīng)用。
氫化物氣相外延技術(shù)（HVPE）由于其高生長速率而成為生產(chǎn)GaN晶體的主要技術(shù)，但此方法很難實(shí)現(xiàn)薄膜的可控生長與摻雜，較少用于制備GaN薄膜器件。
GaN中通常存在3種類型的穿透位錯(cuò)（TD），即刃型、螺型和混合型。
有報(bào)道稱穿透位錯(cuò)通常起庫侖散射中心的作用，從而降低載流子遷移率，增加電阻，影響高電子遷移率晶體管（HEMT）的性能，但不影響GaN輻射探測器的性能。
然而，螺位錯(cuò)和含有螺位錯(cuò)成分的混合位錯(cuò)作為電流泄漏路徑，一般是增加探測反向泄漏電流的主要原因。
此外，螺位錯(cuò)會(huì)被多余的Ga原子或摻雜劑填充，導(dǎo)致帶隙中產(chǎn)生額外的能態(tài)。
因此，較厚的GaN外延層和較低的TD密度對制備性能較好的GaN輻射探測器至關(guān)重要。
GaN輻射探測器主要研究進(jìn)展
GaN具有較強(qiáng)的耐輻照特性。
GaNα粒子探測器通常基于薄膜雙肖特基結(jié)構(gòu)、薄膜肖特基結(jié)構(gòu)、薄膜p-i-n結(jié)構(gòu)和體GaN肖特基結(jié)構(gòu)這4種器件結(jié)構(gòu)。
不同結(jié)構(gòu)的GaNα粒子探測器
目前，在薄膜型雙肖特基結(jié)構(gòu)GaN探測器、薄膜GaN肖特基結(jié)構(gòu)探測器、薄膜型pin結(jié)構(gòu)探測器、體單晶肖特基結(jié)構(gòu)探測器、X射線探測器、GaN中子探測器、輻照損傷測試等方面均取得了一定的進(jìn)展。
GaN輻射探測器發(fā)展中的問題
目前，GaN異質(zhì)外延技術(shù)靈敏區(qū)厚度為20 μm，具有成本低、與GaN器件工藝兼容的特點(diǎn)，適合大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。
由于具有較強(qiáng)的耐輻照性能，SiC應(yīng)用的場合理論上GaN也都可以使用。
但GaN輻射探測器還存在以下問題：
1）利用MOCVD生長外延的GaN薄膜比較薄，使得高能粒子或者射線不能將能量完全沉積到靈敏區(qū)內(nèi)，無法實(shí)現(xiàn)有效的能量探測。
2）GaN背景載流子濃度過高，無法形成較寬的耗盡區(qū)，粒子和射線無法在耗盡區(qū)損失更多能量而電離出更多的電子-空穴對。
3）GaN材料缺陷密度過大，難以實(shí)現(xiàn)大面積探測器件。若將器件面積提升，反向電流變大，經(jīng)過放大器的信號將被噪聲嚴(yán)重干擾，無法準(zhǔn)確地分辨、分離探測器的能量。
金剛石輻射探測器
金剛石材料基本性質(zhì)
金剛石晶胞是由2個(gè)面心立方布拉伐晶格嵌套形成的復(fù)雜晶格，晶格結(jié)合較強(qiáng)，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，具有較強(qiáng)的抗輻射能力。
金剛石在高溫、強(qiáng)輻射等極端環(huán)境中具有巨大的應(yīng)用前景，金剛石探測器可用于粒子識別、輻射探測、位置探測、粒子能量實(shí)時(shí)監(jiān)測等。
金剛石晶胞結(jié)構(gòu)
金剛石材料分為天然金剛石和人造金剛石。
金剛石是間接帶隙半導(dǎo)體，根據(jù)雜質(zhì)含量的不同，又分為Ia（以天然金剛石居多）、Ib（主要為人工合成金剛石）、IIa（可作為探測器候選材料）和IIb（良好的高溫半導(dǎo)體材料）4種類型。
金剛石有著優(yōu)異的物理與化學(xué)性質(zhì)，在光學(xué)、電子、微波、輻射探測中被廣泛應(yīng)用。
金剛石具有高載流子遷移率，使其做成的輻射探測器具有更快的脈沖響應(yīng)及更短的脈沖波長下降沿；高的電阻率大大改善了漏電流，致使暗電流變小。
器件可以在500℃、甚至更高的溫度工作；金剛石材料內(nèi)部雜質(zhì)和缺陷很低，使得載流子具有很高的壽命。
天然金剛石的數(shù)目稀缺，價(jià)格昂貴，因此人們用一系列合成方法研制出人造金剛石來代替天然金剛石，例如高溫高壓法（HTHP）、熱絲化學(xué)氣相沉積法（HFCVD）、微波等離子化學(xué)氣相沉積法（MPCVD）等。
其中MPCVD以生長速度快、晶體尺寸大、質(zhì)量高成為探測器級金剛石的首選制備方法。
金剛石輻射探測器主要研究進(jìn)展
金剛石具有極強(qiáng)的耐輻照特性，是首個(gè)被應(yīng)用于輻射探測的半導(dǎo)體材料，但由于單晶質(zhì)量及尺寸的限制，應(yīng)用領(lǐng)域較窄。
20世紀(jì)60年代，第一顆人造金剛石被合成，但應(yīng)用范圍并不大。
20世紀(jì)90年代后CVD合成金剛石在輻照探測器研究方面開始流行，在大型強(qiáng)子對撞機(jī)（LHC）上應(yīng)用CVD金剛石進(jìn)行輻照研究獲得巨大進(jìn)步，使這方面的研究正式拉開帷幕。
1995年出現(xiàn)關(guān)于使用金剛石探測器探測核聚變的報(bào)道；1999年首次將金剛石探測器應(yīng)用于重離子測量實(shí)驗(yàn)；2015年單晶金剛石應(yīng)用于核聚變的裂片探測……
金剛石輻射探測器發(fā)展中的問題
金剛石核輻射探測器具有良好的能量分辨率；線性度好，在大能量范圍內(nèi)，脈沖信號振幅與入射粒子能量成正比；密度較高，具有較高的探測效率；脈沖響應(yīng)時(shí)間快；可在真空環(huán)境工作，對外磁場敏感度低；可以在較高溫度下工作，耐腐蝕，性能穩(wěn)定；抗輻照能力高，適合中子的測量；具有較長的壽命，適合強(qiáng)輻射環(huán)境粒子測試，并具有功耗低、體積小、精度高等優(yōu)點(diǎn)。
目前面臨以下問題：
1）金剛石探測器尺寸小且材料內(nèi)部缺陷高。目前還很難制備出大于1 cm×1 cm面積的探測器，另外內(nèi)部存在的缺陷會(huì)作為電荷俘獲中心，導(dǎo)致電荷收集距離較短、電荷收集效率下降。
2）全能量范圍探測問題。金剛石探測器對于能量低區(qū)難以進(jìn)行探測，可采取多層金剛石膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)外加神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，將能量探測范圍擴(kuò)大。
結(jié)論
半導(dǎo)體探測器要求材料具有低缺陷、低非故意摻雜的載流子濃度、大尺寸均勻性及良好的器件兼容性，第三代半導(dǎo)體探測器從材料、器件設(shè)計(jì)及工藝、性能表征等方面還有很大的發(fā)展?jié)摿Γ蛑?span style="color: #2B579A;">耐高溫（大于175℃）、耐輻照、超快、超高分辨位置探測、高效中子探測領(lǐng)域發(fā)展，并在眾多場景中實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用。
此外，一些新型的第三代半導(dǎo)體材料近年來也展現(xiàn)出良好的發(fā)展?jié)摿Γ绺鼘拵兜腁lN、BN等材料。
隨著研究的不斷深入，第三代半導(dǎo)體輻射探測器的出現(xiàn)必然會(huì)促進(jìn)核科學(xué)、空間探測、粒子及高能物理等方面的研究，對于國家提升核心競爭力具有重要的推動(dòng)作用。