盧 超 ,劉 杰 ,王小煉 ,孔清泉 ,安旭光

(1.成都大學 機械工程學院,四川 成都 610106;2.杭州電子科技大學 電子信息學院,浙江 杭州 310018)

近些年來,碳納米管、石墨烯、金剛石膜等先進碳基材料以及與之相關的MEMS(微機電系統(tǒng))和NEMS(納機電系統(tǒng))技術發(fā)展迅速,為體積小、質量輕、集成度高、感知靈敏度和分辨率優(yōu)異、使用壽命長的傳感探測裝置的應用奠定了基礎。其中,金剛石薄膜半導體探測器具有暗電流小、時間響應快、禁帶寬度大(5.5 eV)、載流子遷移率高(電子遷移速率4200 cm2/(V·s);空穴遷移速率3800 cm2/(V·s))、電阻率極高(>1011Ω·cm)、介電常數(shù)低(5.7)、擊穿電壓大(10 MV/cm)、熱導率高(20 W/(cm·K),是銅的5 倍)等優(yōu)異特性[1-2]。其信噪比高,對可見光幾乎零響應,電荷收集效率比硅探測器快4 倍,可在室溫至較高溫度(約600 ℃)環(huán)境中正常工作,且無需外加冷卻系統(tǒng),極大減小了探測器的質量與體積。尤為重要的是,金剛石薄膜具有優(yōu)良的化學穩(wěn)定性、耐輻照特性和抗輻照干擾能力[3],能在極端惡劣的強輻射環(huán)境中正常工作,被認為是一種理想的半導體傳感探測器材料。

20 世紀80 年代初,蘇聯(lián)科研人員在單晶金剛石襯底上生長出單晶金剛石薄膜,這種新興的金剛石薄膜同質外延生長技術使得高質量單晶金剛石薄膜的人工制備成為可能。1982 年,日本的Matsumoto 等[4]于低壓氣相條件下采用熱絲化學氣相沉積(CVD)技術在硅、鉬等異質單晶襯底上合成出質量較好的連續(xù)多晶金剛石薄膜,其生長速度達到每小時數(shù)微米,性能接近天然金剛石。除了上述制備方法,還出現(xiàn)了微波等離子體CVD、直流等離子體CVD、燃燒火焰CVD 以及直流電弧等離子體噴射CVD 等金剛石膜合成技術[5]。隨著金剛石薄膜制備及加工技術的不斷發(fā)展,其商業(yè)化應用水平日漸提高,基于CVD 金剛石薄膜的新型傳感探測器及其相關應用獲得了極大關注。

本文綜述了基于金剛石薄膜的傳感探測裝置對氣體(如O2、H2、CO、H2S、NH3等)、高能粒子(如α粒子、質子、中子等)、高能射線(如X 射線、γ 射線等)、紫外線、磁場等進行感應探測的應用研究進展,并闡述了金剛石薄膜傳感探測技術的未來發(fā)展方向與趨勢。

1 金剛石薄膜傳感探測器的研究現(xiàn)狀

1.1 氣體傳感

由于硅、砷化鎵等窄帶隙半導體器件無法在200℃以上高溫環(huán)境中長期工作,限制了它們在高溫有毒氣體探測領域的應用。隨著等離子體CVD 技術的快速發(fā)展,具有寬帶隙、可在高溫(>650 ℃)條件下長時間穩(wěn)定運行的金剛石薄膜成為了高溫氣體探測與感知的最佳候選材料之一,其最早用于半導體生產過程中所釋放有毒氣體如PH3、B2H6、AsH3、GeH4和SiH4的感應探測。1994 年,美國范德比爾特大學的Kang等[6]首次開發(fā)出基于金屬Pd/本征金剛石(i-金剛石)/p-金剛石構型的氫氣傳感器,由此引發(fā)了金剛石薄膜在氣體傳感領域的研究熱潮。這種金剛石薄膜氣體傳感器以i-金剛石膜為絕緣層,p-金剛石膜作為半導體層和氣體吸附的敏感材料,在金屬Pd 電極的催化作用下,吸附氣體與p-金剛石膜表面發(fā)生電子交換,使金剛石膜表面電阻及電流發(fā)生改變,從而實現(xiàn)對特定氣體的選擇性定量檢測。

早在1998 年,Gurbuz 等[7]就已設計出催化劑/吸附性氧化物/絕緣體/半導體構型的Pt/SnOx/i-金剛石/p-金剛石結構的金剛石基氣體傳感器,可在數(shù)秒響應時間內探測出微量O2和CO 氣體;隨后,該研究小組[8]研制出尺寸小、工作溫度范圍寬、靈敏性佳、響應及恢復速度快的Pd/i-金剛石/p-金剛石構型的氣體傳感器,可對苯、甲苯氣體實施有效探測,其結構如圖1 所示。Joshi 等[9]采用熱絲化學氣相沉積法制備硼摻雜金剛石薄膜,當金剛石薄膜晶粒尺寸為1 μm 時,其對空氣中濃度為1000 ppm 的CO 氣體響應時間和恢復時間分別僅為5 s 和20 s,由CO 在硼摻雜p-金剛石膜表面氧化以作為電子供體來實現(xiàn)探測。納米晶金剛石薄膜表面形成的金剛石納米針陣列具有高的比表面積和特殊的納米尖端效應,對還原性NH3和氧化性NO2氣體具有良好的氣敏性[10]。研究發(fā)現(xiàn)[11],氫化金剛石膜可通過表面電導率變化來實現(xiàn)低濃度H2S 氣體的有效探測。Saravanan 等[12]設計出超細晶金剛石/二硫化鉬/氧化鋅納米棒復合材料,利用存在的有效氧空位缺陷以及多種異質結界面來促進電子傳輸,這種結構的傳感器具有優(yōu)良的氣敏特性,對H2的探測靈敏度高達70.6%,且其響應時間快、氣體選擇性佳。

圖1 金剛石基氣體傳感器的結構示意圖Fig.1 Schematic of diamond-based gas sensor

1.2 輻射探測

國際上早已有金剛石材料在輻射探測領域應用的相關報道。20 世紀40 年代,貝爾電話實驗室的研究人員利用天然金剛石探測器觀察到了由α 粒子產生的脈沖電流現(xiàn)象[13],引起了世界各國的矚目。20 世紀50-80 年代,由于人工合成大尺寸單晶金剛石技術的限制,探測器主要采用天然金剛石材料,然而天然金剛石的稀缺昂貴使得其應用受限,因此低成本金剛石薄膜的人工合成及其在探測器中的應用成為關鍵。到了20 世紀90 年代,CVD 金剛石開始在紫外線傳感器、高能粒子探測器中得到應用。自1994 年起,由歐洲核子研究中心(CERN)成立的RD42 研發(fā)小組在大型強子對撞機(LHC)上進行CVD 金剛石膜探測器的研究并取得了重大進展,正式拉開了金剛石在輻射探測領域應用的序幕。國內較早從事金剛石薄膜在輻射探測領域應用的研究單位主要有上海大學、西北核技術研究所、清華大學和北京科技大學等。

衡量金剛石薄膜輻射探測器性能的關鍵指標主要有暗電流、電荷收集效率等。其中,暗電流反映探測器在無外部輻照情況下自身漏電流的大小,其主要由金剛石內部的雜質及缺陷濃度決定,雜質及缺陷越少,暗電流越小,探測器噪聲也越小。電荷收集效率則關乎探測器對輻射響應的靈敏度和對輻射強度的絕對測量精度,金剛石膜的缺陷和雜質含量越低,載流子的陷阱或俘獲中心越少,載流子的壽命越長,探測器的電荷收集效率越高。

基于金剛石薄膜的帶電粒子(如α 粒子、質子)或射線(如X 射線、γ 射線)輻射探測器的結構如圖2 所示。金剛石薄膜的兩面分別鍍上金屬電極,當高能量粒子或射線透過金剛石薄膜時,可與金剛石發(fā)生作用使其產生電離激發(fā),金剛石中產生的正負電子-空穴對載流子在外加電場作用下向探測器的兩電極漂移,從而被收集而產生電流脈沖信號,電流信號經(jīng)放大后被檢測到。

圖2 帶電粒子或射線輻射金剛石探測器結構Fig.2 Diamond detector for charged particle or ray

與帶電粒子不同,對中性粒子(如中子)的探測則需在金剛石電極上鍍一層中子轉換層(結構如圖3 所示),常用的中子轉換層物質為10B 和6LiF,中性粒子先在轉換層中激發(fā)出次級帶電粒子,次級帶電粒子再與金剛石作用產生電子-空穴對,從而實現(xiàn)對中性粒子的探測。

圖3 中性粒子金剛石探測器結構Fig.3 Diamond detector for neutron particle

1.2.1 α 粒子探測

金剛石探測器對帶電粒子的電荷收集效率高,其在粒子探測領域中最典型的應用是對輻射能量約為5.5 MeV 的α 粒子進行有效探測。Tsubouchi 等[14]結合微波等離子體化學氣相沉積(MPCVD)均質外延技術和離子注入剝離法快速制備出N 摻雜(001)晶面取向的單晶金剛石膜,該金剛石探測器可對241Am 源5.486 MeV 的α 粒子進行探測時,其空穴傳輸?shù)碾姾墒占矢哌_98%,電子傳輸?shù)碾姾墒占蔬_到89%。Schirru 等[15]采用CVD 法制備的90 μm 厚單晶金剛石膜在室溫下可作為210Po 源5.4 MeV 的α 粒子的探測器,其對α 粒子的能量分辨率為1.2%,電荷收集效率高達100%。由Diamond Detectors LTD 公司制造的50 μm 厚單晶CVD 金剛石探測器(見圖4(a))漏電流小至pA 級,可在高溫、高光照度環(huán)境中對5.5 MeV 的241Am 源α 粒子進行探測,可達到與300 μm 厚平面硅探測器相同的探測效果[16]。Zhang 等[17]先采用MPCVD 法制備(111)晶面取向的多晶金剛石膜,并以RGO(還原氧化石墨烯)/Au 作為電極,該電極的接觸阻抗(6.6 Ω·cm-2)比Ti/Pt/Au 電極的接觸阻抗(97.4 Ω·cm-2)低得多,其對α 粒子的能量分辨率達到11.9%。這種基于金剛石膜/RGO/Au 結構的α 粒子探測器的剖面結構如圖4(b)所示。

圖4 (a) CVD 單晶金剛石探測器[16];(b) RGO/Au 電極的CVD 金剛石膜探測器的剖面示意圖[17]Fig.4 (a)Single-crystal CVD diamond detector[16];(b) Schematic of a CVD diamond film detector with RGO/Au electrode[17]

1.2.2 質子探測

質子對金剛石進行輻照時,能量越高的質子其運動速度越快,其與金剛石的作用截面越小,所造成的損傷也越小,故金剛石在高劑量質子探測領域具有優(yōu)良的應用前景。Forcolin 等[18]將單晶電子級金剛石安裝在印刷電路板上制作成尺寸為4.7 mm×4.7 mm×0.5 mm 的三維金剛石探測器(見圖5(a)),該探測器由4 個600 μm× 600 μm 的陣列組成(見圖5(b)),對4 MeV 質子微束進行探測時其電荷收集效率接近100%,并首次獲得了質子的空間分辨瞬態(tài)電流?；贑VD 單晶金剛石的質子探測器還可對眼疾治療質子束(62 MeV)的放射劑量進行精準測定[19]。將金納米顆粒沉積在硼摻雜金剛石表面進行修飾改性后,該金剛石器件對質子探測具有高敏感度、快速響應性、低檢出限、寬電壓范圍、優(yōu)良可重復性等特征[20]。單晶金剛石探測器的抗質子輻照性優(yōu)良,當質子能量為100 MeV、質子通量高達1.6×1017protons/cm2時,金剛石探測器的殘余信號在輻射結束時仍保留初始通量值的5%,在1 μA 質子流的輻照下,金剛石探測器的最大響應電流超過1 mA[21]。研究還發(fā)現(xiàn)[22],CVD 單晶金剛石對不同能量級的質子表現(xiàn)出不同的抗輻照性能,對于100 MeV～1 GeV 能量范圍內的質子具有優(yōu)良的抗輻射性,在低能量級(4.5 MeV)的質子環(huán)境中其抗輻射性則會有所降低。

圖5 (a)三維金剛石質子探測器及(b)其中的A 陣列[18]Fig.5 (a) 3D diamond proton detector and (b) array A in 3D diamond proton detector[18]

1.2.3 X 射線探測

在X 射線輻照條件下,金剛石可被電離激發(fā)出大量的載流子,基于金剛石薄膜的X 射線探測器具有靈敏度高、響應快、動態(tài)范圍寬、擊穿電壓高、抗輻照能力強等優(yōu)良特性。CVD 單晶金剛石可用于0.8～8 keV 能量范圍內的軟X 射線探測,已被安裝于歐洲JET 托卡馬克裝置上用作軟X 射線探測儀,且其運行可靠性優(yōu)良[23]。侯立飛等[24]制作出金屬/半導體/金屬結構的CVD 金剛石軟X 射線探測器,并在神光III 激光聚變裝置中成功獲得X 射線能流的時間波形,探測器系統(tǒng)的前沿響應時間可達60 ps,實現(xiàn)了探測器系統(tǒng)在軟X 射線能譜測量中的初步應用。以TiN 膜為電極的B 摻雜同質外延CVD 金剛石薄膜探測器對0.5～1.2 keV 的軟X 射線有著高探測靈敏度,探測器信號電流隨著外加電壓的增加而增大,在60 V 電壓時對1.2 keV 光子的表觀量子效率高達2.5×103[25]。劉林月等[26]研制的CVD 金剛石薄膜探測器在800 V 偏壓下的暗電流小于50 pA,對X 射線(6～22 keV)的靈敏度達到10-4～10-2A·W-1,電荷收集效率為39%,對亞納秒脈沖X 射線的響應上升時間為2～3 ns。Makita等[27]采用電子光刻技術將10 μm 厚的金剛石薄膜加工成透射型衍射光柵(光柵間隔為40 nm～4 μm),可以對同步回旋加速器中6～18 keV 的硬X 射線進行高效檢測。Liu 等[28]制作出基于單晶金剛石和多晶CVD 金剛石的兩種X 射線探器(結構如圖6(a)～(c)所示),研究發(fā)現(xiàn),與單晶金剛石相比,具有大面積、低成本及高性能等優(yōu)勢的多晶CVD 金剛石在快脈沖X 射線(100 keV)探測領域的應用前景更加廣泛。Ade[29]研究了CVD 金剛石探測器中雜質與缺陷濃度對X 射線探測靈敏度的影響,結果表明,N 雜質濃度增加會降低探測器的靈敏度,而缺陷濃度增加則可引入更多的陷阱能級,從而對金剛石探測器的靈敏度有提升作用。

圖6 (a) 多晶金剛石X 射線探測器[28];(b) 單晶金剛石X 射線探測器[28];(c) X 射線探測器的結構[28]Fig.6 (a) Polycrystalline diamond X-ray detector[28];(b) Single-crystal diamond X-ray detector[28];(c) Schematic of X-ray detector[28]

1.2.4 γ 射線探測

γ 射線輻照時主要與物質的核外電子發(fā)生作用,很難引起晶格原子的位移,故金剛石半導體探測器具有極強的抗輻照性能,可應用于高劑量γ 射線輻射環(huán)境中。歐陽曉平小組[30]研究了CVD 金剛石薄膜探測器在60Co 穩(wěn)態(tài)輻射源γ 射線(1.25 MeV)中的抗輻射性能,結果表明:由于γ 射線與金剛石作用產生的電子可填補缺陷,探測器的電荷收集效率隨γ 射線輻照劑量的增加而略有提升,當γ 射線累積照射量為10.32 C/kg 時,其增幅小于0.7%。Sato 等[31]采用微波等離子體CVD 法制備出高質量的同質外延自支撐單晶金剛石薄膜,在該CVD 單晶金剛石膜的兩面分別沉積一層500 μm 厚的Au 金屬膜后,金剛石探測器對137Cs 源662 keV 的高能γ 射線探測靈敏度提高了3 倍多,其原因是γ 射線更容易在重元素Au 金屬膜中產生二次粒子(光子或電子),二次粒子在金剛石中激發(fā)出的電子-空穴對載流子可有效改善其探測效率。Lei 等[32]則研究了多晶CVD 金剛石薄膜(厚度300 μm)表面蒸鍍0.05 μm 厚Au 金屬層的探測器在60Co 源γ 射線輻射下的探測性能,研究表明該金剛石輻射探測器在γ 射線作用下可產生激發(fā)效應,且沿著金剛石的生長面照射可獲得更高的電荷收集效率,在600 V 的飽和電壓下能將γ 射線的電荷收集效率顯著提高13%,這種效應能夠在金剛石探測器受輻射后維持40 min。2017年,Williams 等[33]在500 μm 厚的單晶金剛石表面鍍覆Au-Pt-Ti 電極,這種金剛石薄膜探測器被首次用來探測高強度γ 射線束(2～7 MeV),有望用于γ 射線的光子通量、位置與偏振信息的精密測量。

1.2.5 中子探測

不帶電荷的中子無法使金剛石發(fā)生電離,傳統(tǒng)的方法難以探測中子,在金剛石表面構筑中子轉換介質層,利用中性粒子與介質的相互作用產生帶電粒子,通過對該次級帶電粒子的探測最終可實現(xiàn)金剛石薄膜對中子的探測。歐洲原子能共同體組織的Pillon 等[34]將2 μm 厚的6LiF 層覆蓋在CVD 金剛石表面構成鋰-金剛石型中子探測器,利用6Li 作為中子向帶電粒子轉化的轉換器,可以對熱中子的產量進行穩(wěn)定可靠的檢測;隨后,該研究小組發(fā)現(xiàn)[35],這種6LiF-單晶金剛石探測器可對低能量熱中子和10 MeV 能量以下的快中子進行同時監(jiān)控探測。Amosov 等[36]通過實驗和理論計算驗證發(fā)現(xiàn),0.354 mm 厚的金剛石片可用作0.3～10.7 MeV 的241Am-Be 源快中子的探測器,該探測器在受到不同能級中子輻照時的響應特性如圖7(a)所示。Osipenko 等[37]將兩塊50 μm 厚的單晶CVD 金剛石疊加后作為14 MeV 快中子的探測器,其檢測效率高于單塊金剛石膜,在3 mm ×3 mm 的區(qū)域內檢測靈敏度達到5×10-7counts cm2/n。Bolshakov 等[38]采用離子注入法在單晶金剛石基底與10 μm 厚外延CVD 金剛石薄膜之間構建8～12 μm 厚的石墨層電極(見圖7(b)),可以實現(xiàn)對252Cf 源慢中子的有效探測;Holmes小組[39]在磷摻雜CVD 金剛石PN 結夾層中間插入4.5 μm 厚的金剛石本征層,構建的金剛石PIN 二極管可在低工作電壓下對慢中子進行探測;該小組還發(fā)現(xiàn),表面沉積有BN 中子轉換層(厚度為0.5 μm)的<110>取向金剛石PIN 二極管可對中子通量率為4.4×106n/(cm2·s)的熱中子實現(xiàn)有效探測[40]。在CVD 金剛石膜表面覆上100 nm 厚的Ag 電極層制作成的探測器可以探測快中子,覆上5 μm 厚的Gd 電極層則可以同時探測熱中子和快中子[41]。

圖7 (a) 金剛石基中子探測器的輻照響應特性[36];(b)單晶金剛石/石墨層電極/外延CVD 金剛石膜結構的中子探測器結構示意圖[38]Fig.7 (a) Radiation response of diamond-based neutron detector[36];(b) Schematic of neutron detector with single crystal diamond/graphite layer electrode/epitaxial CVD diamond film structure[38]

1.2.6 紫外探測

紫外探測技術在通訊、導彈預警與跟蹤、天文觀測、氣象預報、火災預警、生物醫(yī)學等領域有著巨大應用潛力,是一種重要的軍民兩用光電探測技術。由于金剛石對可見光幾乎零響應,具有“太陽盲區(qū)”特性,基于金剛石薄膜的紫外探測器具有紫外敏感性好、分辨率高、噪聲低、靈敏度高、穩(wěn)定性佳等特性,是硅基紫外探測器的優(yōu)良替代品。Ciancaglioni 等[42]采用微波CVD 法制備出74 μm 厚的金剛石膜,并利用光刻技術將蒸鍍于金剛石膜上、下兩表面的Cr 或Ag 層加工成8 條微小帶狀體,由此構成的金屬/金剛石/金屬結構的探測器可對波長193 nm 的深紫外線進行感應成像;器件結構為高溫高壓(HPHT)人工金剛石襯底/B 元素摻雜p 型CVD 金剛石/本征CVD 金剛石/Pt 金屬電極的CVD 單晶金剛石探測器(結構如圖8 所示)被安裝在歐洲JET 托卡馬克裝置中進行實驗,該探測器在極端環(huán)境中具有優(yōu)良的抗輻照特性,在無需外部電壓的情況下即可對極紫外光進行快速響應探測[23];Periale 等[43]將單晶CVD 金剛石探測器與大體積雙相冷凍液氬/液氙探測系統(tǒng)進行光耦合聯(lián)用,比當前所用紫外光傳感器有著更高的光敏性和信噪比。Liu 等[44]在單晶CVD 金剛石膜上刻蝕10 μm 深的叉指形凹槽,并在凹槽上鍍上Ti/Au 金屬電極,這種三維金屬電極結構的金剛石紫外探測器可獲得較高的光生載流子收集效率,對220～280 nm 紫外光的響應靈敏度比傳統(tǒng)的平板結構探測器要高出50%。

圖8 金剛石基極紫外光探測器的結構示意圖[23]Fig.8 Schematic of diamond-based UV detector[23]

1.3 弱磁探測

當面心立方金剛石晶格中的一個碳原子被一個氮原子取代且其近鄰位置有一個晶格空位時,就形成一種具有熒光特性的NV(氮空位)色心缺陷(如圖9 所示[45]),這種對空間矢量敏感的色心存在電子自旋特性,在靜磁場方向(平行于NV 軸)和極化電磁場方向(垂直于NV 軸平面)可對NV 色心的熒光特性產生影響,因而具有電場、磁場、溫度和應力等特性,利用其磁特性可對靜態(tài)、低頻弱磁場進行有效探測[46],基于NV 色心的金剛石磁力探測儀對磁場的感應靈敏度與NV 色心數(shù)的平方根成正比關系,增加NV 色心濃度可提高其探測靈敏度[47]。

圖9 金剛石中NV 色心的結構圖[45]Fig.9 Structure of NV color center in diamond[45]

Maze 等[48]通過對納米晶(直徑為30 nm)金剛石中NV 色心的單電子自旋量子位進行相干調控,實現(xiàn)了室溫條件下靈敏度為0.5 μT·Hz-1/2的弱磁場精準探測。李路思等[45]對金剛石NV 色心電子自旋在外磁場下的退相干過程進行模擬,確定了退相干特征時間與外磁場大小的高靈敏度關系,提出了一種基于量子相干系統(tǒng)精確測量靜態(tài)弱磁場的方法,其對靜態(tài)弱磁場的探測靈敏度可達60 nT·Hz-1/2。Gao 等[49]通過對金剛石NV 色心的微波頻率進行調制來降低測量系統(tǒng)中的低頻噪音干擾,改善了其磁檢測靈敏度,可實現(xiàn)高分辨率、高靈敏度(可達17.628 nT·Hz-1/2)的磁場探測。Stürner 等[50]設計出基于金剛石NV 色心的低功耗(1.5 W)、小型化(2.9 cm3)、集成化的磁傳感器設備(如圖10(a)所示),其最小可探測磁場約為1 μT,探測靈敏度可達31 nT·Hz-1/2,在磁探測領域具有良好的應用前景。

將單晶金剛石與磁性材料集成所得的SCD MEMS(單晶金剛石微機電系統(tǒng))諧振器也是一種優(yōu)良的磁性傳感器。Zhang 等[51]將具有巨磁致伸縮系數(shù)及超高居里溫度的軟磁性FeGa 納米薄膜集成在單晶金剛石表面,利用該薄膜在磁場中的磁致伸縮應變來輸出信號并實現(xiàn)磁感應,其具體磁感應機理如圖10(b)所示。該集成器件具有磁感應靈敏度高、磁感應范圍寬、工作溫度高的特性,可應用于嚴苛環(huán)境中,其最小可探測磁場低至1.42×10-10T。隨后,該研究小組[52]通過對單晶金剛石表面的FeGa 納米薄膜進行B 元素摻雜,所得無定形FeGaB 膜與SCD MEMS 諧振器之間具有強耦合作用,促使FeGaB/SCD 基MEMS 磁傳感器的性能得到明顯改善,其磁場靈敏度達到未摻雜器件的四倍以上,可滿足超高靈敏度、低噪聲、高可靠性的磁探測應用場景需求。

圖10 (a) 金剛石NV 色心磁力傳感器[50];(b) FeGa 薄膜/單晶金剛石集成磁傳感器[51]Fig.10 (a) Diamond NV color center magnetic sensor[50];(b) Integrated magnetic sensor of FeGa film/single crystal diamond[51]

2 結論與展望

金剛石作為應用前景廣闊的新一代傳感探測材料,憑借其寬禁帶、高熱導率、高擊穿電壓、耐輻照損傷、抗化學腐蝕等優(yōu)良的物理化學特性,可在高溫、高壓、強輻射環(huán)境中穩(wěn)定運行,其使用壽命長,易于實現(xiàn)探測傳感裝置的小型化、輕量化與集成化,是傳統(tǒng)硅基探測器的理想替代品。近年來,具有可見光日盲性的金剛石薄膜探測器成為了日盲紫外探測的首選,其在國防、軍事、民用等領域有著極其廣泛的應用前景與需求,將成為傳感探測領域的研究熱點。金剛石薄膜探測傳感材料及其相關技術的基礎研究與應用,有助于推動我國在電子信息、航空航天、生物醫(yī)學、武器裝備等重要領域的技術發(fā)展,可產生巨大的經(jīng)濟、社會效益。

當前,金剛石薄膜傳感探測裝置的發(fā)展與應用仍面臨一些問題。首先,金剛石薄膜的質量決定了探測器的性能,目前,探測器級(電子級)金剛石薄膜主要采用CVD 法制備,但其制備與加工成本仍較高,膜沉積速率與質量較低,尤其在超大尺寸高品質單晶金剛石膜的制備方面仍存在技術障礙,亟需開發(fā)新技術、新工藝以實現(xiàn)高質量金剛石膜的低成本、規(guī)?；a,通過提升金剛石薄膜質量可改善探測傳感裝置的暗電流、電荷收集效率、靈敏度等性能。其次,為了提高傳感探測器的性能并實現(xiàn)對氣體、帶電粒子、射線、磁場等物質的同步探測,需對金剛石薄膜傳感探測器的器件結構進行多功能化、3D 集成化設計。比如對金剛石薄膜表面金屬電極的組成與結構進行合理優(yōu)化改性,提高金剛石膜與電極之間的歐姆接觸特性,從而改善傳感探測器的靈敏度、信噪比等特性。另外,通過構建多層金剛石膜結構并設計傳感探測器矩陣,提高其探測效率并拓展其能量探測范圍,是今后一個時期需要研究和解決的重要課題[53]。