氧化鎵半導(dǎo)體核輻射探測器研究現(xiàn)狀

周磊簜，陳 亮，盧 星，歐陽曉平?

(1. 西安交通大學(xué) 微電子學(xué)院，西安 710049；2. 西北核技術(shù)研究所，西安 710024；3. 中山大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，廣州 510275)

近年來，氧化鎵(Ga2O3)材料及器件逐漸成為研究的熱點。Ga2O3材料禁帶寬度約為4.9 eV；臨界電場強(qiáng)度約為8 MV·cm-1；Baliga優(yōu)值為3 214.1；Johnson優(yōu)值為2 844.1，且熱穩(wěn)定性良好及飽和速度高(2×107cm·s-1)。與廣泛應(yīng)用的商業(yè)化寬禁帶半導(dǎo)體碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)相比，Ga2O3材料在功率器件和光電器件等領(lǐng)域應(yīng)用中展現(xiàn)出更大的優(yōu)勢[1-3]。此外，與采用氣相外延生長的SiC，GaN和金剛石等商業(yè)化材料相比，在理想情況下，采用熔融法生長的β-Ga2O3材料具有更快的生長速度、更低的生產(chǎn)成本及更小的材料缺陷濃度，且可實現(xiàn)高質(zhì)量大尺寸單晶塊材生長[4]，使Ga2O3器件在商業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)方式上擁有更強(qiáng)的競爭力。目前，Ga2O3材料生長方法日益成熟，其中，導(dǎo)模法(edge-defined film-fed growth, EFG)更進(jìn)一步促進(jìn)了低成本、大尺寸Ga2O3單晶塊材的生長[5]，而成熟的氣相外延技術(shù)也使高質(zhì)量Ga2O3單晶薄膜制備成為可能。

在核輻射探測應(yīng)用中，半導(dǎo)體探測器具有靈敏度高、能量分辨率高、體積小易于集成、空間分辨率高、響應(yīng)速度快及線性范圍寬等特點，在核輻射監(jiān)測、高能物理反應(yīng)產(chǎn)物檢測和航空航天等領(lǐng)域備受關(guān)注[6-10]。半導(dǎo)體探測器材料相關(guān)物理參數(shù)如表1所列[1-2,11-20]。其中，由于有較大的結(jié)合能及較低的本征載流子濃度，寬禁帶半導(dǎo)體材料具有更好的抗輻照特性與溫度特性[21]，可解決傳統(tǒng)的硅(Si)和鍺(Ge)等半導(dǎo)體核輻射探測器面臨的抗輻照能力差和常溫工作環(huán)境能量分辨率低等問題。SiC，GaN材料及相關(guān)器件在核輻射探測領(lǐng)域的研究起步較早，相對成熟[22-25]。此前，高質(zhì)量Ga2O3單晶塊材作為閃爍體已初步應(yīng)用到核輻射探測領(lǐng)域[26]，而Ga2O3半導(dǎo)體器件也有望應(yīng)用到核輻射探測相關(guān)領(lǐng)域。然而，有關(guān)寬禁帶Ga2O3半導(dǎo)體核輻射探測器的研究報道相對匱乏，缺乏對該類器件及性能更系統(tǒng)的認(rèn)識，因此，探索新型寬禁帶Ga2O3半導(dǎo)體核輻射探測器及性能是一項具有開拓性的前沿研究。

本文從Ga2O3材料特性入手，探討了不同類型Ga2O3半導(dǎo)體核輻射探測器結(jié)構(gòu)，總結(jié)了目前Ga2O3器件在核輻射探測領(lǐng)域的實驗研究和應(yīng)用情況，包括快中子探測和X射線探測方面的最新進(jìn)展。最后，歸納了Ga2O3半導(dǎo)體核輻射探測器面臨的問題，并對Ga2O3半導(dǎo)體核輻射探測器今后的研究與發(fā)展方向提出了建議。

1 Ga2O3半導(dǎo)體材料物理特性、制備方法和器件類型

1.1 Ga2O3物理特性及制備方法

表1 探測器用半導(dǎo)體材料物理特性參數(shù)Tab.1 Physical characteristics of different materials used in radiation detectors

核輻射探測中，材料特性差異可直觀地反映在對X射線的線性衰減系數(shù)譜中。圖2為不同材料的X射線線性吸收衰減系數(shù)μl隨X射線能量EX的變化關(guān)系。

為保證材料載流子的遷移率和壽命等物理性能，在分子結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，首先須生長出良好的Ga2O3單晶。Ga2O3單晶的生長方法包括柴氏拉晶法(Czochralski method，CZ)[31]、浮區(qū)法(floating-zone method，F(xiàn)Z)[32]、EFG法[5]和布里奇曼生長法(Bridgman method，B)[33]等。其中，EFG法在保證晶體體積和晶體質(zhì)量方面有獨特優(yōu)勢，圖4為EFG法示意圖及生長的Ga2O3單晶樣品。將用于EFG生長的高純度(5N級)Ga2O3粉末在充滿CO2等保護(hù)氣氛的坩堝中熔融；然后，采用一塊籽晶與熔融態(tài)的Ga2O3接觸后進(jìn)行單向恒(慢)速提拉。目前，EFG法可制備出大于110 mm × 110 mm ×6 mm尺寸的晶體[34]。在非故意摻雜(unintentionally doped, UID)的情況下，須特別注意原材料粉末中的雜質(zhì)與坩堝的材質(zhì)，否則統(tǒng)計結(jié)果表明制備的Ga2O3晶體的電學(xué)特性將下降。

為進(jìn)一步提高Ga2O3單晶材料質(zhì)量，擴(kuò)充Ga2O3器件的類型和適用范圍，國內(nèi)外開展了較多基于Ga2O3材料外延生長技術(shù)實現(xiàn)多層結(jié)構(gòu)制備與摻雜調(diào)控的研究。Ga2O3外延材料的主要生長方法有金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積(metal organic chemical vapor deposition, MOCVD)[35]、分子束外延(molecular beam epitaxy, MBE)[36]、氫化物氣相外延(hydride vapor phase epitaxy, HVPE)[35]、脈沖激光沉積(pulsed laser deposition, PLD)[37]和磁控濺射(magnetron sputtering physical vapor deposition, MSPVD)[38]等。由于氧原子的存在，外延設(shè)備在高溫高壓環(huán)境中損耗較大，通常對MOCVD等化學(xué)氣相沉積設(shè)備有較高要求。與MBE，PLD，MSPVD等類似的物理氣相沉積方法更易直接用于Ga2O3的外延生長。考慮到對生長速率和晶體質(zhì)量的兼顧，目前主要的外延生長方法是MBE和MOCVD。圖5為MOCVD外延高電子遷移率Ga2O3單晶薄膜形貌表征結(jié)果[39]。

在現(xiàn)有較完善的實驗條件和發(fā)展體系的支撐下，Ga2O3單晶材料制備工藝發(fā)展迅速。然而，作為新材料，在提高晶體質(zhì)量方面，Ga2O3材料仍存在著許多疑惑、困難和壁壘。目前，UID Ga2O3單晶材料均呈現(xiàn)N型半導(dǎo)體特性。一種猜測認(rèn)為，該特性是生長過程中Si，Ir等元素的污染及氧空位造成的。在此基礎(chǔ)上，摻雜P型元素Mg，F(xiàn)e可在Ga2O3材料內(nèi)部形成深受主能級缺陷，通過補(bǔ)償作用即可形成電阻率大于1010Ω·cm的高阻Ga2O3單晶材料，但仍無法實現(xiàn)明顯有效的P型摻雜。最新的研究進(jìn)展表明，Ga2O3單晶塊材和外延薄膜材料的載流子濃度可控制在1015～ 1019cm-3量級[40-41]，外延Ga2O3薄膜的載流子濃度最高可達(dá)到1×1020cm-3[42]。2019年，Chikoidze等[18]在MOCVD外延形成的高度補(bǔ)償?shù)腉a2O3外延層上成功制備了P型特性的Ga2O3薄膜，在氧氣氛下退火后，載流子濃度達(dá)到5.6×1017cm-3。然而，P型薄膜并不穩(wěn)定，在環(huán)境中極易退化，無法形成有效的P型材料。從目前的理論研究及實驗結(jié)果來看，Ga2O3材料無法形成有效P型材料的原因并未被證實。一種接受度較高的解釋認(rèn)為，Ga2O3無法形成有效P型的2個主要原因：一是Ga2O3材料中空穴的有效質(zhì)量很大，無法自由移動，只能以極化子的形式存在于晶格畸變中，被陷在陷阱中難以激活[43-44]；二是價帶附近易形成補(bǔ)償型缺陷，導(dǎo)致空穴濃度極低[43-44]。

Ga2O3單晶的另一個關(guān)鍵問題是電子遷移率的提升。常溫下，Ga2O3的電子遷移率理論上可達(dá)到200 cm2·V-1·s-1以上，但目前實際上僅能達(dá)到184 cm2·V-1·s-1[39-45]。一般認(rèn)為，影響材料電子遷移率的主要問題是材料載流子濃度過高[13]，隨著載流子濃度的降低，可獲得更高的電子遷移率。

1.2 Ga2O3輻射探測器件類型

核輻射探測器是一種利用輻射與物質(zhì)的相互作用，將中子、γ射線、X射線及帶電粒子等變?yōu)榭捎^測信號的轉(zhuǎn)化器。衡量核輻射探測器優(yōu)劣的指標(biāo)包括對特定輻射的靈敏度、響應(yīng)速度、線性輸出范圍及抗輻照能力等。針對不同測量對象與測量目的，核輻射探測器的性能指標(biāo)千差萬別，這與屬性多元化的半導(dǎo)體器件相符。因此，半導(dǎo)體核輻射探測器在核探測領(lǐng)域中的發(fā)展包括自身材料性能的提升和應(yīng)用場景的創(chuàng)新2個方面。半導(dǎo)體核輻射探測器的探測過程主要為：(1)核外電子吸收能量激發(fā)至導(dǎo)帶產(chǎn)生非平衡載流子；(2)非平衡載流子在電場作用下的定向移動：(3)非平衡載流子的收集與電信號的輸出。由此可知，影響半導(dǎo)體核輻射探測器性能的主要因素包括：(1)無輻射環(huán)境中器件的電信號輸出特性；(2)輻射場環(huán)境中器件對輻射致非平衡載流子的收集能力。

圖6為基于2種不同結(jié)構(gòu)的Ga2O3半導(dǎo)體核輻射探測器工作模型，即基于補(bǔ)償型高阻材料的金屬-半導(dǎo)體-金屬(metal-semiconductor-metal, MSM)結(jié)構(gòu)的高阻型器件，及基于肖特基二極管結(jié)構(gòu)(Schottky barrier diode，SBD)的肖特基結(jié)型器件。受限于材料生長工藝水平，實際的Ga2O3半導(dǎo)體材料生長、后處理過程中會受到雜質(zhì)元素玷污或在內(nèi)部形成缺陷，導(dǎo)致材料的有效載流子濃度過高，呈現(xiàn)高電導(dǎo)率N型特性，且尚未實現(xiàn)有效、穩(wěn)定的P型摻雜，因此未能實現(xiàn)同質(zhì)P-N結(jié)型Ga2O3核輻射探測器件。

高阻型半導(dǎo)體探測器具有最簡單的器件結(jié)構(gòu)，易于制備。隨著晶體生長技術(shù)日益成熟，Ga2O3晶體生長過程中摻入Fe和Mg元素可形成補(bǔ)償型高阻單晶塊材，為后續(xù)的制備提供了材料基礎(chǔ)。由圖6(a)可見，理想的高阻型器件可看作固體電離室。理想情況(本征材料)下，器件暗(漏)電流可表示為

I=Sqni(μn+μp)|E|

(1)

其中：q為單位電荷；S為器件面積；E為電極之間電場強(qiáng)度；μn與μp分別為電子和空穴的遷移率；ni為載流子濃度。由式(1)可知，高阻型器件暗電流正比于材料本征載流子濃度和外加偏壓。與常用的Si，Ge等材料相比，寬禁帶半導(dǎo)體材料，如SiC，GaN，Ga2O3等，具有更低的本征載流子濃度，在實現(xiàn)高電阻率半導(dǎo)體方面更有優(yōu)勢。常溫下，Si的本征載流子濃度約為1010cm-3量級，而Ga2O3僅為10-22cm-3量級，表明相同尺寸的Ga2O3基高阻型器件暗電流等級遠(yuǎn)小于Si基器件的暗電流等級。然而，由于引入新的補(bǔ)償型缺陷，一定程度上降低了補(bǔ)償型摻雜方式獲得的高阻材料載流子的遷移率及壽命，影響器件輻射響應(yīng)特性。通常，高阻型半導(dǎo)體探測器面臨著電阻率和收集效率之間的平衡問題。

肖特基結(jié)型器件的暗電流受材料電阻率和摻雜濃度的影響較小，無需在材料中引入新的缺陷便可形成可控的具有高阻特性的空間電荷區(qū)，很好地解決了上述矛盾。由圖6(b)可見，肖特基結(jié)型半導(dǎo)體探測器采用具有整流作用的肖特基接觸電極，器件工作在反偏狀態(tài)下，空間電荷區(qū)的電阻率一般大于1010Ω·cm。理想情況下，器件的暗電流符合熱電子發(fā)射模型[46]，可表示為

(2)

其中：S′為金屬-半導(dǎo)體肖特基接觸面積；A*為有效理查德森常數(shù)；k為玻爾茲曼常數(shù)；T為環(huán)境溫度；qΦB為勢壘高度；η為理想因子；Rs為等效串聯(lián)電阻；Vb為器件偏壓。由式(2)可知，工作在反向偏壓情況下時，結(jié)型器件漏電流不隨器件工作電壓變化而變化。在靈敏區(qū)厚度一定的條件下，Ga2O3材料的臨界電場強(qiáng)度遠(yuǎn)大于Si材料，表明Ga2O3結(jié)型器件更有利于非平衡載流子收集。然而，結(jié)型器件的空間電荷區(qū)厚度(靈敏區(qū)厚度)受到材料有效載流子濃度影響，最多達(dá)102μm量級，在重帶電粒子和低能X射線探測方面有廣泛應(yīng)用，但對γ射線的探測效率較低。

通常，高阻型器件電流密度僅與材料電阻率相關(guān)，易獲得大面積器件，輻射與器件作用概率較高，且能有效降低漏電流對信號噪聲的貢獻(xiàn)；靈敏區(qū)厚度與材料厚度相同，可獲得較小的等效電容，使偏壓波動對靈敏區(qū)厚度影響較小，降低電源波動對信號噪聲的貢獻(xiàn)。但難以獲得本征高阻材料，非平衡載流子輸運過程易受到材料缺陷的影響而產(chǎn)生光電導(dǎo)效應(yīng)，降低器件響應(yīng)/恢復(fù)速度。肖特基結(jié)型器件空間電荷區(qū)等效為高阻區(qū)，電阻率與材料載流子濃度無關(guān)，可承受較高電場強(qiáng)度，易獲得更高的載流子收集效率，且非平衡載流子輸運過程時間短，復(fù)合概率相對較?。坏骷Σ牧先毕轁舛容^敏感，面積難以做大，且器件靈敏區(qū)厚度受到偏壓與漏電流的限制，導(dǎo)致器件等效電容較小，電源輸出電壓波動易對信號輸出產(chǎn)生較大影響。

綜上所述，高阻型半導(dǎo)體探測器靈敏區(qū)范圍較大，適合用于高能射線和帶電粒子的探測；結(jié)型器件靈敏區(qū)厚度易于調(diào)控，且靈敏區(qū)電場強(qiáng)度較大，電荷收集效率較高，線性輸出特性好，適用于α粒子及其他重帶電粒子的探測和混合場的測量。

2 Ga2O3核輻射探測器研究現(xiàn)狀

2.1 肖特基結(jié)型Ga2O3核輻射探測器

目前為止，Ga2O3基半導(dǎo)體器件在核輻射領(lǐng)域應(yīng)用的研究處于起步階段，僅限于快中子探測和X射線探測的研究報道，有關(guān)帶電粒子探測的研究尚未見報道。

Ga2O3半導(dǎo)體器件在核輻射探測領(lǐng)域應(yīng)用中的首次報道是關(guān)于14 MeV快中子探測。2017年，Szalkai等[47]對比研究了基于EFG生長的UID高電導(dǎo)率Ga2O3單晶和Mg補(bǔ)償摻雜的高阻Ga2O3單晶2種肖特基結(jié)型Pt/Ga2O3半導(dǎo)體器件在外加偏壓下的暗場I-V特性與快中子響應(yīng)特性。其中，基于UID的器件無法加高壓，而基于Mg的補(bǔ)償型高阻器件可承受更高的電壓，從而獲得響應(yīng)信號，且器件工作在高壓(1 000 V)模式下比常壓(40 V)模式下的計數(shù)率高10倍以上。測量的機(jī)理為Ga2O3材料中的Ga原子和O原子與14 MeV中子反應(yīng)可生成次級帶電粒子，其中，16O(n, α)與13C反應(yīng)生成的α粒子對器件信號的貢獻(xiàn)最大，通過對α粒子的探測測，間接實現(xiàn)了14 MeV快中子探測。圖7為高阻Ga2O3的Pt/Ga2O3肖特基結(jié)型器件1 100 V偏壓下對14 MeV中子的測量結(jié)果，證實了高含氧、高阻Ga2O3單晶材料在核輻射(快中子)探測領(lǐng)域具有一定應(yīng)用前景[47]。

西北核技術(shù)研究所聯(lián)合西安交通大學(xué)、中山大學(xué)和同濟(jì)大學(xué)形成國內(nèi)最早探索Ga2O3材料在核輻射探測領(lǐng)域應(yīng)用的團(tuán)隊。2018年，Lu等[48]采用同濟(jì)大學(xué)提供的國產(chǎn)UID高電導(dǎo)率(等效施主濃度大于1017cm-3)Ga2O3單晶塊材成功制備了Pt/Ga2O3肖特基結(jié)型器件，并進(jìn)行了X射線響應(yīng)測試研究，并揭示了肖特基結(jié)型器件響應(yīng)機(jī)理，如圖8所示。圖9為Pt/Ga2O3肖特基結(jié)型器件X射線響應(yīng)曲線。由圖9可見，該結(jié)型器件在偏壓為0時，具有良好的光伏特性，響應(yīng)速度快(約為20 ms量級)，而在外加偏壓下，X射線響應(yīng)過程同時包含光伏響應(yīng)成分與光電導(dǎo)響應(yīng)成分，且對劑量率為1.532～4.596 Gy·s-1的X射線擁有良好的線性輸出特性。

為進(jìn)一步探究Pt/Ga2O3肖特基結(jié)型器件X射線響應(yīng)規(guī)律，2019年，Lu等[49]還結(jié)合Ga2O3材料表征結(jié)果與X射線響應(yīng)特性對器件性能進(jìn)行了進(jìn)一步分析，圖10為器件X射線響應(yīng)曲線，圖11為器件靈敏度及噪聲等效X射線劑量率隨偏壓的變化關(guān)系。

研究結(jié)果表明，Pt/Ga2O3肖特基結(jié)型器件在X射線響應(yīng)過程中光電導(dǎo)特性受材料本身氧空位缺陷影響，響應(yīng)時間很慢，約為10 s量級，且氧空位是導(dǎo)致器件靈敏度隨偏壓的增加而一直增加的主要原因。此外，Pt/Ga2O3肖特基結(jié)型器件的漏電流隨偏壓增加而驟增，導(dǎo)致器件的最小可探測劑量率隨著反向偏壓的增加而減小，當(dāng)偏壓大于-20 V時，逐漸趨于飽和，飽和值為7.03×10-8Gy·s-1·Hz-0.5。Zhou等[50]對基于同批Ga2O3材料制備的Pt/Ga2O3肖特基接觸進(jìn)行了漏電流分析，結(jié)果表明器件在高溫下的漏電流受到導(dǎo)帶以下0.7 eV附近的缺陷影響，該缺陷可能與帶一個電子的氧空位施主缺陷相關(guān)，進(jìn)一步表明材料缺陷對Pt/Ga2O3肖特基結(jié)型核輻射探測器性能影響較大。

Ga2O3單晶塊材在生長過程中引入的雜質(zhì)玷污及生長缺陷等對核輻射探測器的性能影響較為嚴(yán)重，采用高質(zhì)量Ga2O3外延技術(shù)有望提高晶體質(zhì)量，減小缺陷對器件核輻射性能的影響，實現(xiàn)更高性能的Ga2O3結(jié)型核輻射探測器。

在核輻射探測領(lǐng)域的應(yīng)用中，除單晶塊材及同質(zhì)外延材料之外，高質(zhì)量Ga2O3薄膜在大尺寸和快響應(yīng)X射線探測領(lǐng)域也具有一定應(yīng)用價值。2019年，中國科學(xué)院物理研究所Liang等[51]在柔性襯底上采用MSPVD制備了α-Ga2O3薄膜，探索了柔性、可穿戴Ga2O3基叉指結(jié)構(gòu)器件X射線響應(yīng)特性。圖12為ITO/Ga2O3/ITO柔性X射線探測器。

該器件基于背靠背肖特基接觸結(jié)構(gòu)，采用導(dǎo)電玻璃氧化銦錫(indium tin oxide， ITO)代替金屬作為透明電極。Ga2O3薄膜制備過程中通過控制氧氣流量對氧缺陷濃度進(jìn)行調(diào)控，X射線響應(yīng)測量表明，氧空位較高的樣品會產(chǎn)生更大的光電流且會降低器件X射線響應(yīng)/恢復(fù)速度，該結(jié)論與Pt/Ga2O3肖特基結(jié)型X射線探測器研究一致。此外，在柔性測試過程中，該器件X射線響應(yīng)性能未見明顯下降。這一發(fā)現(xiàn)為柔性X射線及其他電離輻射探測器的設(shè)計提供了一種新的材料及方法。

2021年，中山大學(xué)Chen等[52]和Zhang等[53]相繼發(fā)表了2篇基于背靠背Au/Ga2O3/Au肖特基接觸結(jié)構(gòu)的Ga2O3薄膜器件X射線響應(yīng)特性研究成果。圖13為Au/Ga2O3/Au結(jié)構(gòu)X射線探測器。該器件采用電子束(electron-beam, E-beam)蒸發(fā)設(shè)備在石英襯底上制備了納米晶結(jié)構(gòu)Ga2O3薄膜，并采用MSPVD制備了叉指結(jié)構(gòu)Au電極。圖14為電子束蒸發(fā)Ga2O3薄膜表征結(jié)果。圖15為Au/Ga2O3/Au結(jié)構(gòu)X射線探測器X射線響應(yīng)特性結(jié)果。當(dāng)偏壓為50 V時，該器件靈敏度達(dá)到138.80 μC·mGy(air)-1·cm-2(材料厚度為200 nm)；當(dāng)偏壓為10 V時，暗電流僅為50 pA。當(dāng)X射線劑量率為28.79 mGy(air)·s-1(X射線最大能量為80 keV)時，器件響應(yīng)/恢復(fù)時間均小于35 ms。超快的時間響應(yīng)來源于制備的高質(zhì)量納米晶Ga2O3薄膜材料。

圖16為制備的ε-Ga2O3單晶薄膜表征結(jié)果。由圖16可見，該異質(zhì)外延薄膜具有良好的晶格取向。圖17為Au/ε-Ga2O3/Au結(jié)構(gòu)X射線探測器響應(yīng)特性。由圖17可見，基于高質(zhì)量ε-Ga2O3單晶薄膜的Au/Ga2O3/Au叉指器件在窄電極之間(16 μm)實現(xiàn)了載流子倍增過程，取得了更高的電流增益，對30 keV能量X射線探測時，靈敏度達(dá)1.9×104μC·Gy(air)-1·cm-2。此外，ε-Ga2O3薄膜結(jié)晶質(zhì)量高和陷阱濃度低，使器件具有高擊穿電壓和噪聲電流特性，能實現(xiàn)超快速響應(yīng)(37 ms)及低劑量率探測(42.3 μGy(air)·s-1)。以上2項研究結(jié)果進(jìn)一步證實高質(zhì)量外延Ga2O3薄膜有助于提高Ga2O3結(jié)型器件核輻射響應(yīng)特性的結(jié)論。

基于UID材料的Ga2O3結(jié)型探測器的耗盡區(qū)寬度受高背景載流子濃度的限制,僅為1 μm量級，遠(yuǎn)小于高能X射線在Ga2O3材料中的入射深度。為獲得更高的耗盡區(qū)厚度，提高輻射致載流子收集效率，需采用低背景載流子濃度材料。采用同質(zhì)外延工藝較異質(zhì)外延工藝可獲得更高質(zhì)量的Ga2O3材料。2021年，美國哥倫比亞大學(xué)的Taylor等[54]基于同質(zhì)外延Ga2O3單晶材料研究了最大直徑為1 500 μm的大尺寸Ni/Ga2O3肖特基結(jié)型器件X射線響應(yīng)特性。圖18為大尺寸Ni/Ga2O3肖特基結(jié)型器件結(jié)構(gòu)示意圖。

圖19為Ni/Ga2O3肖特基結(jié)型器件X射線響應(yīng)特性。由圖19可見，在最高能量為50 keV的X射線輻照環(huán)境中，該器件在-200 V偏壓下靈敏度和最小可探測X射線劑量率分別為43.5 μC·mGy(air)-1·cm-2和8.31 nGy(air)·s-1，器件在0偏壓下的響應(yīng)時間約為 1.03 s，在-200 V偏壓下的響應(yīng)時間約為 0.3 s，且響應(yīng)時間隨偏壓減小而減小。該研究促進(jìn)了Ga2O3結(jié)型器件在核輻射探測領(lǐng)域?qū)嶋H應(yīng)用進(jìn)程。

2.2 高阻型Ga2O3核輻射探測器

與GaN材料類似，在Ga2O3中摻雜Mg和Fe可獲得補(bǔ)償型高阻Ga2O3材料。在Ga2O3單晶塊材制備過程中引入Mg和Fe等元素可使靈敏區(qū)厚度達(dá)mm量級，甚至更高。2020年，美國北卡羅萊納大學(xué)的Hany等[55]報道了基于Fe補(bǔ)償型摻雜高阻Ga2O3單晶塊材的Ti/Ga2O3/Ti高阻型器件在X射線探測中的應(yīng)用研究，X射線響應(yīng)測試系統(tǒng)如圖20所示。

Fe摻雜樣品的電阻率為9.1×1012Ω·cm，光生載流子遷移率和壽命的積為2.28×10-5cm2·V-1。在最高能量為45 keV的X射線輻照場環(huán)境中，該器件在有源及無源工作模式下均展現(xiàn)出良好的X射線響應(yīng)特性。材料表征表明在樣品中摻雜Fe的濃度不均勻，使器件內(nèi)部形成空間電荷區(qū)和內(nèi)建電場，是導(dǎo)致器件在無源模式條件下仍具有X射線響應(yīng)電流的主要原因。此外， Fe原子對Ga原子的替位摻雜FeGa作為受主中心，對X射線激發(fā)電荷進(jìn)行了有效地捕獲，提升了器件響應(yīng)和恢復(fù)時間(均小于0.3 s)。圖21為 Ti/Ga2O3(Fe)/Ti器件X射線響應(yīng)特性。由圖21可見，器件對X射線劑量率展現(xiàn)出了良好的線性輸出特性。此外，通過對比器件深紫外響應(yīng)特性及X射線響應(yīng)特性，提出并討論了涉及離子遷移的電荷傳輸機(jī)制，指出Fe摻雜顯著提高了Ga2O3器件響應(yīng)/恢復(fù)時間特性。

Zhou等[56]采用厚度為500 μm的高阻Fe摻雜Ga2O3單晶塊材，制備了Ti/Ga2O3/Ti結(jié)構(gòu)高阻型器件，如圖22所示。研究了該器件X射線響應(yīng)特性與脈沖響應(yīng)時間分辨能力。

Fe摻雜形成的補(bǔ)償型β-Ga2O3單晶的電阻率可達(dá)1013Ω·cm量級，采用該高阻Fe摻雜材料的器件在800 V偏壓下具有較小的暗電流，約為 270 pA，電流密度約為955 pA·cm-2。高度補(bǔ)償摻雜也使樣品引入了大量缺陷，導(dǎo)致器件的載流子收集效率較低，載流子遷移率和壽命的積僅為2.33×10-6cm2·V-1。一方面導(dǎo)致隨著外加偏壓的增加，暗電流引起的器件噪聲的增長快于靈敏度的增長和最小可探測劑量率的上升；另一方面導(dǎo)致該器件對X射線劑量率呈非線性輸出特性。圖23為Fe摻雜Ga2O3材料表征結(jié)果。由圖23可見，通過電子順磁共振譜及X射線激發(fā)光譜等材料表征手段發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)e對Ga形成了有效的替位摻雜FeGa，且FeGa與材料本身的VO(oxygen vacancy)缺陷共同影響了Ti/Ga2O3/Ti高阻型器件的X射線輻射響應(yīng)特性。此外，該器件對X射線同樣具有超快響應(yīng)特性，響應(yīng)及恢復(fù)時間約為20 ms，并在不同偏壓下對50 ns全脈寬脈沖X射線具有良好的響應(yīng)特性。

為進(jìn)一步表征該器件的時間分辨能力，采用10 ps脈沖γ射線進(jìn)行表征，圖24為Ti/Ga2O3/Ti高阻型器件脈沖響應(yīng)特性。由圖24可見，該器件的時間分辨能力快于2 ns。由于該器件靈敏度較低，導(dǎo)致器件信噪比較低，使測量結(jié)果易受到噪聲的影響，產(chǎn)生起始信號時移及負(fù)信號。

2021年，同濟(jì)大學(xué)劉波教授課題組Chen等[57-58]相繼發(fā)表了有關(guān)自主研發(fā)制備的國產(chǎn)Mg，F(xiàn)e摻雜補(bǔ)償型高阻Ga2O3單晶塊材應(yīng)用在X射線探測領(lǐng)域的閃爍體及半導(dǎo)體器件的研究成果。圖25和圖26分別為Ti/Ga2O3∶Mg/Ti高阻型核輻射探測器和Ti/Ga2O3∶Fe/Ti高阻型核輻射探測器。同濟(jì)大學(xué)成功制備出高質(zhì)量Mg，F(xiàn)e補(bǔ)償型摻雜的高電阻率Ga2O3單晶塊材，電阻率約為1012Ω·cm。材料表征表明，Mg摻雜有效抑制了Ga2O3晶體中氧空位濃度，進(jìn)而提高了相應(yīng)半導(dǎo)體器件核輻射響應(yīng)特性。在最高能量為50 keV的X射線輻照環(huán)境中，基于厚度為1 mm的高阻Ga2O3單晶塊材的高阻型核輻射探測器X射線響應(yīng)和恢復(fù)時間均小于0.2 s。實驗結(jié)果表明，國產(chǎn)高阻Ga2O3單晶塊材在半導(dǎo)體核輻射探測器制備方面具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

3 Ga2O3核輻射探測器研究與應(yīng)用目前存在的問題

目前，Ga2O3核輻射探測器僅有肖特基結(jié)型器件與高阻型器件2種類型。一方面，采用熔融法生長的UID單晶塊材在制備過程及后處理過程中會引入大量氧缺陷和雜質(zhì)，導(dǎo)致材料中有效載流子濃度過高(大于1017cm-3)；而氧氣氛中MOCVD和MSPVD等外延生長工藝雖可制備多種晶型及較低背景載流子濃度(1016cm-3)的高質(zhì)量Ga2O3薄膜，但仍無法直接用于核輻射探測。此外，缺乏有效的P型摻雜手段也限制了器件的種類和性能。因此，目前大多數(shù)Ga2O3核輻射探測器都基于肖特基結(jié)型器件結(jié)構(gòu)。另一方面，在材料生長過程中通過補(bǔ)償型元素Fe和Mg摻雜，將Ga2O3晶格中的Ga3+替換為Mg2+和Fe2+形成受主與N型施主進(jìn)行補(bǔ)償，有效降低了UID樣品中載流子濃度，電阻率可提升至1012Ω·cm量級，進(jìn)而獲得高阻型Ga2O3核輻射探測器。

Ga2O3材料缺陷對器件核輻射響應(yīng)特性影響顯著，如何提高晶體質(zhì)量、減少氧空位缺陷和獲得高質(zhì)量本征高阻材料是改善Ga2O3半導(dǎo)體器件核輻射響應(yīng)特性亟需解決的問題。研究結(jié)果表明：補(bǔ)償型摻雜產(chǎn)生的受主缺陷降低了器件在暗場下的漏電流，減小了漏電噪聲對核輻射探測的影響；形成的受主能級能有效捕獲輻射致光生載流子，加速了探測器響應(yīng)恢復(fù)過程。然而，補(bǔ)償型摻雜引入的缺陷破壞了晶格質(zhì)量，增加了非平衡載流子的復(fù)合概率，使材料的載流子遷移率和壽命的積僅為10-6～ 10-5cm2·V-1量級，進(jìn)而降低了輻射致載流子的收集效率，減小了器件的靈敏度。對于電場強(qiáng)度較小及靈敏區(qū)較厚的高阻型器件而言，輻射致非平衡載流子在電場區(qū)域運動的時間更長，導(dǎo)致器件輸出對輻照強(qiáng)度(X射線劑量率)更為敏感，在更寬的X射線劑量率范圍內(nèi)呈現(xiàn)弱線性或非線性特征。由原材料純度不高、晶體生長和高溫退火等工藝過程導(dǎo)致的氧空位缺陷已被證實會降低肖特基勢壘高度，增強(qiáng)核輻射響應(yīng)光電導(dǎo)過程，在提高器件高靈敏度的同時降低器件的響應(yīng)速度。此外，帶一個電子的氧空位施主缺陷及雜質(zhì)產(chǎn)生的淺能級施主缺陷使UID材料呈現(xiàn)高背景載流子濃度和高導(dǎo)電N型半導(dǎo)體特性，限制了結(jié)型器件的工作電壓和靈敏區(qū)厚度，降低了器件靈敏度，抬高了探測下限。除氧空位缺陷外，Ga2O3材料內(nèi)部還存在其他類型缺陷，二者共同促進(jìn)了電子場發(fā)射過程[50,59-60]，加劇了結(jié)型器件漏電，導(dǎo)致制備的肖特基結(jié)型器件漏電流等級遠(yuǎn)大于理論漏電流等級[46]，進(jìn)而影響結(jié)型器件的探測效率、最小可探測水平及響應(yīng)時間等特性。有關(guān)Ga2O3材料缺陷的研究已比較深入[5，61-64]，而有關(guān)電學(xué)器件性能與缺陷之間聯(lián)系的研究則相對匱乏。

肖特基結(jié)型器件和高阻型器件X射線響應(yīng)過程中均出現(xiàn)電流過沖現(xiàn)象，目前缺乏對該現(xiàn)象確切的解釋。產(chǎn)生該現(xiàn)象可能的原因主要有2點：一是Ga2O3材料的熱導(dǎo)率較小，當(dāng)X射線入射到樣品時，器件溫度上升導(dǎo)致載流子遷移率下降；二是Ga2O3材料的極化效應(yīng)，X射線激發(fā)產(chǎn)生的電子和空穴在金屬與材料界面處積累，增強(qiáng)了與原外加電場反向的極化電場，導(dǎo)致等效電場強(qiáng)度下降[65]。

根據(jù)目前已報道的核輻射探測器研究結(jié)果，結(jié)型器件的電極最大面積可做到約1.7 mm2，靈敏區(qū)厚度最多達(dá)到10 μm量級；而高阻型器件電極尺寸在10 mm2量級，靈敏區(qū)厚度可達(dá)500 ～ 1 000 μm，具有更大的靈敏區(qū)體積。表2為Ga2O3基X射線探測器性能對比。由表2可知，與高阻型器件相比，結(jié)型器件具有更寬的線性范圍和更好的線性輸出特性。另一方面，盡管結(jié)型器件暗電流高于高阻型器件暗電流，但是結(jié)型器件具有更高的靈敏度，從而具有更低的探測下限，對更弱的X射線劑量率都具有響應(yīng)。然而，受到氧空位等缺陷影響，結(jié)型器件在有源工作模式下響應(yīng)/恢復(fù)時間普遍慢于高阻型器件響應(yīng)/恢復(fù)時間。

表2 Ga2O3核輻射探測器X射線性能對比Tab.2 Comparison of X-ray response characteristics of the Ga2O3 radiation detectors

Ga2O3結(jié)型器件的性能受材料質(zhì)量影響較大。基于UID單晶塊材的Pt/Ga2O3肖特基結(jié)型器件[48-49]與基于高質(zhì)量同質(zhì)外延的Ni/Ga2O3肖特基結(jié)型器件[54]的對比分析表明，高質(zhì)量Ga2O3材料對器件X射線響應(yīng)特性均有一定提升；基于高質(zhì)量外延薄膜的背靠背叉指結(jié)構(gòu)肖特基結(jié)型器件[51-52]可在一定程度上提高輻射致非平衡載流子的收集效率，降低氧空位缺陷濃度下降對器件靈敏度的影響，并能顯著提升結(jié)型器件對X射線響應(yīng)/恢復(fù)速度。

對于Ga2O3高阻型器件而言，器件性能與材料電阻率有一定關(guān)系。通常，高電阻率Ga2O3材料使器件漏電流更小，響應(yīng)速度更快；但高阻材料中的補(bǔ)償摻雜作用導(dǎo)致輻射致載流子遷移率壽命積更低，影響了輻射致載流子收集過程，導(dǎo)致器件的靈敏度降低，線性輸出特性變差[55-56]。此外，由于Fe摻雜分布不均勻，導(dǎo)致高阻型器件內(nèi)部產(chǎn)生空間電荷區(qū)和內(nèi)建電場，使部分高阻型器件也具有光伏響應(yīng)特性[55]，該過程難以控制，使器件性能差異較大。

4 結(jié)論與展望

Ga2O3半導(dǎo)體核輻射探測器研究仍處于初級階段，主要體現(xiàn)在器件種類少，器件核輻射響應(yīng)性能不理想和器件電學(xué)性能與材料缺陷之間的定量定性的關(guān)聯(lián)研究相對缺乏2個方面。有關(guān)器件核輻射響應(yīng)機(jī)理、輻射致非平衡載流子輸運過程影響因素和核輻射響應(yīng)規(guī)律與特點等問題有待進(jìn)一步研究。

首先，Ga2O3半導(dǎo)體核輻射探測器種類和性能主要受材料限制。Ga2O3材料的背景載流子濃度過高，并難以解決穩(wěn)定的P型材料制備問題，無法獲得理想高質(zhì)量具有更低漏電流等級的Ga2O3同質(zhì)PN結(jié)，因此目前的Ga2O3核輻射探測器只有肖特基結(jié)型器件和高阻型器件2類。其中，由于存在空間電荷區(qū)和內(nèi)建電場，肖特基結(jié)型探測器可工作在無源模式下，且具有良好的線性輸出特性，在計量測量和監(jiān)控方面具有應(yīng)用前景；而高阻型器件具有超快的響應(yīng)/恢復(fù)速度和時間分辨能力(小于2 ns)，在超快探測領(lǐng)域更有優(yōu)勢，此外，更大的靈敏區(qū)體積使高阻型器件在高能射線/帶電粒子探測領(lǐng)域也具有更好的應(yīng)用前景。

其次，目前缺乏有關(guān)器件電學(xué)性能與缺陷之間聯(lián)系的系統(tǒng)研究。不同種類缺陷對電子學(xué)器件性能造成的影響是多樣的。如，氧空位缺陷對肖特基結(jié)型器件影響主要體現(xiàn)在提高了器件靈敏度，但增加了器件漏電流，延長了器件響應(yīng)/恢復(fù)時間；Fe,Mg補(bǔ)償型摻雜對高阻型器件的影響主要體現(xiàn)在提高了器件電阻率、降低了器件漏電流及縮短了器件響應(yīng)/恢復(fù)時間，但同時降低了器件靈敏度并造成對輻射強(qiáng)度的非線性輸出。Ga2O3結(jié)型器件性能與材料缺陷關(guān)系的研究仍是目前的主流方向之一。

目前，亟需解決材料制備及器件制備工藝2方面存在的問題。在材料層面，獲得低缺陷濃度的高質(zhì)量本征Ga2O3高阻材料是提升器件核輻射響應(yīng)的基礎(chǔ)，逐步完善高均勻、低雜質(zhì)缺陷濃度的高質(zhì)量本征單晶襯底及同質(zhì)外延生長技術(shù)，獲得低等效載流子濃度和高載流子遷移率壽命積的Ga2O3單晶材料，更有望突破P型材料制備問題；在器件層面，完善襯底材料拋光工藝及優(yōu)化器件制備過程中退火和刻蝕等工藝是提升器件核輻射響應(yīng)的主要途徑，Ga2O3器件有望突破大面積制備及高偏壓下漏電流驟增等問題，實現(xiàn)快響應(yīng)/恢復(fù)時間特性。隨著半導(dǎo)體領(lǐng)域科研實驗技術(shù)的不斷發(fā)展，核輻射領(lǐng)域急切需求的不斷推動，以及商業(yè)化模式下大尺寸Ga2O3單晶塊材制備切割工藝的逐步成熟、材料成本的逐步下降，Ga2O3寬禁帶半導(dǎo)體材料有望在核輻射探測領(lǐng)域得到更大規(guī)模的應(yīng)用。