武 蕊，范東海，康 陽(yáng)，萬 鑫，郭 晨，魏登科， 陳冬雷，王 濤，3，查鋼強(qiáng)，3

(1.西北工業(yè)大學(xué)，輻射探測(cè)材料與器件工信部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710072； 2.深圳中廣核工程設(shè)計(jì)有限公司，深圳 518124;3.西北工業(yè)大學(xué)深圳研究院，深圳 518063)

0 引 言

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，因而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)。目前半導(dǎo)體輻射探測(cè)器已在醫(yī)療影像檢測(cè)、核安全監(jiān)測(cè)、環(huán)境輻射監(jiān)測(cè)、工業(yè)無損檢測(cè)、宇宙科學(xué)和核科學(xué)研究等領(lǐng)域取得廣泛的應(yīng)用。

1 輻射與物質(zhì)的相互作用

輻射探測(cè)器通過探測(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)，輻射探測(cè)領(lǐng)域主要關(guān)注的射線種類及其能量區(qū)間和物理本質(zhì)總結(jié)如表1所示。

表1 輻射的主要類型、物質(zhì)本質(zhì)和能量區(qū)間Table 1 Main types of radiation and their physical essence together with energy range

1.1 α粒子和β射線

α粒子是剝離掉兩個(gè)電子、帶正電的氦核，α粒子能量較高時(shí)主要與殼層電子相互作用；能量較低時(shí)主要與物質(zhì)核發(fā)生盧瑟福散射，在輻射探測(cè)中前者應(yīng)用較多，α粒子具有特征能量。β射線與物質(zhì)相互作用主要通過非彈性電子碰撞和軔致輻射進(jìn)行，通過電子碰撞的能量損失是β射線能譜學(xué)中主要關(guān)注的物理過程，β射線的能量分布是連續(xù)的。α粒子和β粒子在材料中的數(shù)目衰減規(guī)律如圖1所示，α粒子在材料厚度接近其作用深度時(shí)粒子數(shù)目迅速減小，β粒子在物質(zhì)中的數(shù)目衰減則是逐漸進(jìn)行的。

圖1 (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[1]Fig.1 (a) Attenuation of the number of α particles with the thickness of the absorbing material; (b) attenuation of the number of β particles with the thickness of the absorbing material[1]

1.2 X射線和γ射線

X射線通常是指物質(zhì)原子受激發(fā)后，高能態(tài)電子回落到低能態(tài)放出的光子，主要由射線管產(chǎn)生；γ射線通常是指放射性同位素衰變產(chǎn)生的高能光子。X射線和γ射線與物質(zhì)的相互作用主要包括光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)、電子對(duì)效應(yīng)。光電效應(yīng)是物質(zhì)完全吸收入射光子能量并發(fā)射一個(gè)高能電子；康普頓效應(yīng)可近似認(rèn)為是光子和自由電子之間的碰撞，光子將部分能量交給原子的外層電子形成反沖電子，光子被散射能量減??；電子對(duì)效應(yīng)是指當(dāng)入射光子能量大于2m0c2時(shí)，與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生正負(fù)電子對(duì)，正電子發(fā)生湮滅并從湮滅位置產(chǎn)生兩個(gè)出射方向相反的、能量均為511 keV的光子。圖2展示了各相互作用的原理，同時(shí)定性描述了各相互作用截面與射線能量和物質(zhì)原子序數(shù)之間的關(guān)系。

圖2 X射線和γ射線與物質(zhì)的相互作用[1]。(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Fig.2 Interaction of X-rays and gamma rays with materials[1]. (a) Photoelectric effect; (b) compton effect; (c) pair production effect; (d) predominating (most probable) interaction versus photon energy for absorbers of different atomic numbers

1.3 中 子

中子主要與物質(zhì)的原子核發(fā)生相互作用，包括彈性散射、非彈性散射、輻射俘獲、核反應(yīng)等，如圖3所示。彈性散射是指中子與原子核碰撞之后，中子損失的能量全部轉(zhuǎn)化為反沖核動(dòng)能的過程；非彈性散射是指靶核吸收快中子形成復(fù)核，并釋放一個(gè)低能中子，靶核通過發(fā)射γ射線釋放能量回到基態(tài)的過程；輻射俘獲是指靶核俘獲一個(gè)中子形成激發(fā)態(tài)的復(fù)合核，復(fù)核釋放出一個(gè)或幾個(gè)γ光子回到基態(tài)的過程；核反應(yīng)是指中子進(jìn)入靶核后，與靶核結(jié)合形成激發(fā)態(tài)的復(fù)合核，復(fù)合核通過發(fā)射質(zhì)子或α粒子退激的過程。

圖3 中子與物質(zhì)的相互作用。(a)彈性散射;(b)非彈性散射;(c)輻射俘獲效應(yīng);(d)核反應(yīng)Fig.3 Interaction of neutrons and materials. (a) Elastic scattering; (b) inelastic scattering; (c) radiation trapping effect; (d) nuclear reaction

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

半導(dǎo)體輻射探測(cè)器工作原理包括三部分，即輻射與探測(cè)介質(zhì)相互作用產(chǎn)生載流子、載流子在半導(dǎo)體內(nèi)的輸運(yùn)、感應(yīng)電荷脈沖形成。輻射與半導(dǎo)體相互作用的時(shí)間很短，通常在10-11s內(nèi)即可完成并產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，電子-空穴對(duì)數(shù)目正比于輻射在半導(dǎo)體中沉積的能量。在探測(cè)器外加偏壓的作用下，電子和空穴分別向探測(cè)器陰陽(yáng)兩極移動(dòng)，載流子漂移使探測(cè)系統(tǒng)電勢(shì)能發(fā)生變化，在電極上產(chǎn)生感應(yīng)電荷。1938—1939年間Shockley和Ramo推導(dǎo)了帶電粒子在真空環(huán)境運(yùn)動(dòng)時(shí)系統(tǒng)電勢(shì)能的變化，提出了感應(yīng)電荷量理論和著名的Shockley-Ramo公式。隨后任之恭[2]和Cavalleri等[3]證明，對(duì)于半導(dǎo)體探測(cè)器這樣存在空間電荷的情況，Shockley-Ramo公式依然成立。探測(cè)器某一電極的感應(yīng)電荷量是電子和空穴感應(yīng)電流在探測(cè)時(shí)間內(nèi)的積分的和，由公式(1)確定：

(1)

式中：Ew(x)為陰極或陽(yáng)極距離探測(cè)器陰極面x處的權(quán)重電場(chǎng)；ve和vh分別為電子和空穴的漂移速度；qe和qh分別為電子和空穴的電荷量；te和th分別為電子和空穴從作用位置漂移到陽(yáng)極和陰極所用時(shí)間；Q為探測(cè)器陰極或陽(yáng)極的感應(yīng)電荷量。

通常半導(dǎo)體探測(cè)器阻抗較高，輸出電荷脈沖振幅較小，最大僅為mV量級(jí)，信號(hào)易被干擾產(chǎn)生畸變，后端電路直接處理小信號(hào)的難度較大，故在探測(cè)器之后緊接一個(gè)前置放大器，用于小信號(hào)的初步放大，同時(shí)使探測(cè)器阻抗與后續(xù)電子學(xué)系統(tǒng)的阻抗相匹配，以減小電荷在電纜中傳輸引入額外的噪聲。前置放大器通常具有良好的線性，即放大處理后，輸出電壓脈沖的高度與輸入端探測(cè)器電荷量成正比，但前置放大器的輸出電壓脈沖幅度仍然較小，仍不便于后續(xù)電子學(xué)設(shè)備處理，且其脈沖衰減時(shí)間較長(zhǎng)(時(shí)間常數(shù)在幾十到幾百μs左右)，在計(jì)數(shù)率較高的情況下極易發(fā)生脈沖堆積，因此需要通過主放大器進(jìn)一步放大信號(hào)和脈沖成型。經(jīng)主放大器輸出的信號(hào)，信號(hào)振幅達(dá)幾V量級(jí)，且仍正比于電荷脈沖振幅，也就是射線能量，此外主放電路還可消除大部分如電源線頻率在內(nèi)的電子學(xué)噪聲。將主放輸出信號(hào)輸入多道脈沖幅度分析儀(multichannel analyzer, MCA)，MCA通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器(analog to digital converter, ADC)測(cè)量主放脈沖信號(hào)振幅并比較分類計(jì)數(shù)，經(jīng)過一定時(shí)間累積后，MCA各道址上分別記錄對(duì)應(yīng)該道信號(hào)振幅的模擬脈沖個(gè)數(shù)，形成脈沖高度譜，也就是射線的能譜。半導(dǎo)體輻射探測(cè)器、前置放大器、主放大器以及多道分析儀的工作原理和結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

圖4 半導(dǎo)體輻射探測(cè)器的工作原理及信號(hào)處理過程。(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Fig.4 Schematic diagram of the working principle of semiconductor radiation detectors and signal processing. (a) Detector generates induced charge; (b) preamplifier preliminary amplification; (c) main amplifier filter shaping and further amplification; (d) multichannel pulse analyzer separates processing to form energy spectrum

2.2 半導(dǎo)體材料對(duì)輻射探測(cè)性能的影響

半導(dǎo)體材料一經(jīng)制備完成，其禁帶寬度、晶體的缺陷類型、缺陷濃度就被確定下來。禁帶寬度是半導(dǎo)體材料的物理屬性，晶體缺陷主要由原料純度、摻雜濃度和制備工藝決定，二者與半導(dǎo)體輻射探測(cè)材料主要的性能參數(shù)如平均電離能、載流子遷移率壽命積、電阻率、能量響應(yīng)區(qū)間等密切相關(guān)。

半導(dǎo)體材料的禁帶寬度對(duì)輻射探測(cè)的諸多性能均有較大影響。首先是平均電離能，即射線電離作用在半導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)電子-空穴對(duì)所消耗的平均能量，通常平均電離能約為禁帶寬度的3倍，禁帶寬度越小，平均電離能小，相同能量射線產(chǎn)生電子-空穴對(duì)的數(shù)目多，能量的統(tǒng)計(jì)漲落小，理論上探測(cè)器的能量分辨率高。第二是電阻率，禁帶寬度大，本征熱激發(fā)小，本征載流子濃度小，材料電阻高，探測(cè)器漏電流小。當(dāng)漏電流抖動(dòng)超過一定閾值就會(huì)被探測(cè)器后端電子學(xué)系統(tǒng)處理，漏電流統(tǒng)計(jì)漲落噪聲占據(jù)電子學(xué)系統(tǒng)大部分的信號(hào)處理時(shí)間，降低了探測(cè)器對(duì)射線信號(hào)的探測(cè)能力，在能譜中貢獻(xiàn)低能區(qū)的計(jì)數(shù)。所以通常漏電流小，可減小探測(cè)器噪聲。第三是探測(cè)器的耐壓和最高工作溫度，禁帶寬度小的半導(dǎo)體材料對(duì)溫度和電壓變化較為敏感，需要在低溫低壓條件下工作，禁帶寬度大的半導(dǎo)體材料對(duì)溫度和電壓變化不敏感，外加偏壓和工作溫度可在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。第四是半導(dǎo)體輻射探測(cè)器的能量響應(yīng)區(qū)間下限，禁帶寬度小，探測(cè)器能量響應(yīng)區(qū)間的下限低，對(duì)低能射線的探測(cè)靈敏度高，禁帶寬度大，探測(cè)器能量響應(yīng)區(qū)間的下限高，可以避免噪聲波動(dòng)、可見光、各類相互作用中低能散射粒子信號(hào)對(duì)探測(cè)器的影響。第五是耐輻照特性，通常禁帶寬度大的材料耐輻照特性好，在強(qiáng)輻射場(chǎng)的環(huán)境下使用具有優(yōu)勢(shì)。在實(shí)際應(yīng)用中，需要綜合考慮電阻率、工作溫度、外加偏壓、噪聲水平、探測(cè)能量范圍、能量分辨率、抗輻照損傷等性能需求，選擇禁帶寬度合適的半導(dǎo)體材料。

半導(dǎo)體輻射探測(cè)器通常由單晶制備而成，線缺陷和點(diǎn)缺陷是主要缺陷類型。點(diǎn)缺陷主要包括空位、反位、間隙原子、摻雜原子以及各類點(diǎn)缺陷之間相互作用形成的缺陷復(fù)合體，各類點(diǎn)缺陷的存在使半導(dǎo)體材料周期性晶格勢(shì)場(chǎng)疊加了由他們引起的附加勢(shì)場(chǎng)，在禁帶中引入淺能級(jí)和(或)深能級(jí)，這些附加勢(shì)場(chǎng)對(duì)載流子有散射作用，同時(shí)也會(huì)使載流子發(fā)生復(fù)合、俘獲和去俘獲效應(yīng)，影響載流子輸運(yùn)性能，進(jìn)而影響探測(cè)器的能譜性能。點(diǎn)缺陷對(duì)半導(dǎo)體輻射探測(cè)材料性能的影響主要有以下幾點(diǎn)：(1)多子和導(dǎo)電類型。通過調(diào)控?fù)诫s原子種類和濃度可調(diào)控半導(dǎo)體的導(dǎo)電類型，定向地選擇遷移能力更優(yōu)秀的載流子作為多子，利用強(qiáng)度高的多子信號(hào)提高探測(cè)器的靈敏度。(2)載流子遷移率?？瘴?、反位、間隙原子等與材料晶格常數(shù)不匹配形成極性聲子，摻入的雜質(zhì)原子電離后形成空間電荷，極性聲子和電離雜質(zhì)經(jīng)過庫(kù)侖散射作用阻礙載流子運(yùn)動(dòng)，降低載流子的遷移率，且缺陷濃度越高散射作用越強(qiáng)，載流子的遷移率越小，因此半導(dǎo)體探測(cè)器中常通過控制摻雜濃度減小晶格失配和電離散射，降低缺陷濃度以獲得高的載流子遷移率，使載流子的漂移速度更快、渡越時(shí)間更短，電荷收集更完全。(3)非平衡載流子壽命。若點(diǎn)缺陷引入淺能級(jí)，由于淺能級(jí)對(duì)載流子的束縛能小，載流子的俘獲和去俘獲時(shí)間短，此時(shí)點(diǎn)缺陷對(duì)載流子壽命和探測(cè)器電荷收集的影響可以忽略不計(jì)，若點(diǎn)缺陷引入深能級(jí)，通常深能級(jí)對(duì)載流子俘獲截面大且束縛能大，載流子易被俘獲且去俘獲困難，因此會(huì)使載流子壽命大大降低，以致電荷收集不完全。通常可提高工作偏壓，提高載流子漂移速度，以避免載流子俘獲和降低“陷阱”勢(shì)壘增強(qiáng)載流子的去俘獲效應(yīng)。(4)電阻率。若點(diǎn)缺陷的存在引入淺能級(jí)，由于淺能級(jí)距離導(dǎo)帶或價(jià)帶很近，電離概率大，從而增加自由載流子濃度，使半導(dǎo)體電阻率降低。若點(diǎn)缺陷的存在引入深施主(受主)能級(jí)，由于深能級(jí)的俘獲截面大，則有可能“補(bǔ)償”淺受主(施主)能級(jí)帶來的載流子濃度增大、電阻率下降的影響，實(shí)現(xiàn)高電阻率。

半導(dǎo)體單晶中的線缺陷主要是位錯(cuò)，位錯(cuò)核內(nèi)的懸掛鍵和位錯(cuò)周圍的雜質(zhì)原子會(huì)在禁帶中引入深能級(jí)復(fù)合中心，顯著降低載流子壽命。由于位錯(cuò)處的懸掛鍵和雜質(zhì)原子電活性較大，位錯(cuò)也是漏電流的導(dǎo)電通道，位錯(cuò)密度大會(huì)導(dǎo)致漏電流的增加。位錯(cuò)周圍的電勢(shì)畸變也會(huì)導(dǎo)致載流子的散射，位錯(cuò)密度大載流子遷移率的下降。因此半導(dǎo)體材料需要盡量減少位錯(cuò)密度，減少載流子的復(fù)合和俘獲，降低探測(cè)器的漏電流，提高載流子的遷移率。

晶界、孿晶界等面缺陷以及夾雜、沉淀等體缺陷也是半導(dǎo)體單晶生長(zhǎng)過程中易生的缺陷，面缺陷具有較強(qiáng)的吸雜效應(yīng)，其附近存在大量的電活性中心，導(dǎo)電能力較強(qiáng)，與晶體內(nèi)部形成勢(shì)壘，阻礙載流子輸運(yùn)，夾雜和沉淀附近位錯(cuò)密度大，對(duì)載流子有較強(qiáng)的復(fù)合和俘獲效應(yīng)，包含較多面缺陷和體缺陷的半導(dǎo)體探測(cè)器通常電荷收集效率低，能量分辨率和探測(cè)效率差，優(yōu)化探測(cè)器的工作溫度和偏壓對(duì)器件性能的提升非常有限，因此要盡量選擇面缺陷和體缺陷少或不含面缺陷和體缺陷的晶體。

2.3 半導(dǎo)體輻射探測(cè)器的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

半導(dǎo)體探測(cè)器的設(shè)計(jì)主要包括三個(gè)階段：(1)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；(2)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，進(jìn)行材料優(yōu)選；(3)結(jié)合實(shí)際應(yīng)用對(duì)探測(cè)器整體性能的要求，進(jìn)一步完成包括探測(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)。

能量分辨率、空間分辨率、時(shí)間分辨率、探測(cè)效率、系統(tǒng)噪聲等是在材料加工、器件制備和應(yīng)用過程中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注的探測(cè)器性能指標(biāo)。能量分辨率是探測(cè)器對(duì)特征能量的識(shí)別能力，通常用特征能量的半高寬或半高寬與特征能量的百分比表示，能量分辨率主要與射線能量、載流子在產(chǎn)生和收集過程中的統(tǒng)計(jì)起伏、探測(cè)器電容和放大電路產(chǎn)生的電子學(xué)噪聲相關(guān)。空間分辨率是能清晰分辨兩個(gè)射線作用位置或兩個(gè)物體的最小距離，包括角度分辨率和三維位置分辨率，探測(cè)器成像單元尺寸、探測(cè)器厚度、射線的入射方向、射線散射、電子云的漂移和擴(kuò)散等是空間分辨率的主要影響因素。時(shí)間分辨率是指能夠清晰分辨兩個(gè)信號(hào)的最短時(shí)間，信號(hào)持續(xù)時(shí)間是時(shí)間分辨能力的主要影響因素。探測(cè)效率是表征探測(cè)器對(duì)入射射線利用率的指標(biāo)，通常用源探測(cè)效率(與探測(cè)器對(duì)源所張立體角、探測(cè)器的阻止能力及全譜計(jì)數(shù)相關(guān))或源峰探測(cè)效率(與探測(cè)器對(duì)源所張立體角、探測(cè)器的阻止能力及全能峰計(jì)數(shù)相關(guān))表示[4]。系統(tǒng)噪聲是探測(cè)器、放大系統(tǒng)、電纜等電子元器件的固有噪聲，探測(cè)器噪聲具有高電平低頻特性，主要由探測(cè)器漏電流產(chǎn)生，使用高阻材料、鈍化側(cè)表、鍍保護(hù)環(huán)電極、使探測(cè)器和放大端阻容匹配、封裝探測(cè)器和前放、減小電纜長(zhǎng)度是降低系統(tǒng)噪聲的主要方法。不同應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)半導(dǎo)體輻射探測(cè)器的性能要求、材料的遴選、探測(cè)器的設(shè)計(jì)要點(diǎn)不盡相同。

2.3.1 X射線探測(cè)器

X射線探測(cè)器主要應(yīng)用于X射線衍射分析、X射線熒光光譜分析、X射線透射形貌分析等。由X光機(jī)產(chǎn)生的X射線光通量大、射線能量通常<300 keV，由原子退激輻射出的特征X射線通量小，能量通常在幾百eV到150 keV。半導(dǎo)體X射線探測(cè)器設(shè)計(jì)主要考慮以下幾個(gè)方面：(1)原子序數(shù)。對(duì)X射線探測(cè)通常是利用光電效應(yīng)，X射線探測(cè)材料的原子序數(shù)應(yīng)根據(jù)圖2(d)，結(jié)合X射線能量區(qū)間選擇原子序數(shù)在光電效應(yīng)截面和康普頓效應(yīng)截面相等曲線上部的材料，探測(cè)硬X射線比軟X射線對(duì)半導(dǎo)體材料原子序數(shù)的要求高。(2)禁帶寬度。X射線探測(cè)器需要對(duì)射線能量敏感且能量的統(tǒng)計(jì)漲落要小，加之X射線的能量較低，故應(yīng)選擇禁帶寬度和平均電離能較小的材料，提高探測(cè)器的本征能量分辨率，但需要考慮禁帶寬度小時(shí)電阻率低，熱激電流和噪聲增大可能使能量分辨率降低的影響，權(quán)衡能量分辨率、電阻率和工作溫度。(3)計(jì)數(shù)率和耐極化能力。X射線光通量大時(shí)，需選擇載流子遷移率壽命積高、電阻率大、深能級(jí)缺陷少的半導(dǎo)體材料，優(yōu)選歐姆型接觸電極材料，避免探測(cè)器極化和信號(hào)堆疊，同時(shí)要求讀出電路也具有快速信號(hào)處理的能力。(4)半導(dǎo)體材料厚度和晶體成本。考慮射線能量、材料種類和探測(cè)器工況設(shè)計(jì)合適的探測(cè)器厚度，避免探測(cè)器過薄X射線能量沉積不完全或探測(cè)器過厚引起電荷收集不完全和材料浪費(fèi)的情況，評(píng)估探測(cè)需求和材料成本，選擇高性價(jià)比的探測(cè)器系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案?；谝陨蠈?duì)半導(dǎo)體X射線探測(cè)材料和器件的性能要求，目前在X射線探測(cè)領(lǐng)域廣泛使用的半導(dǎo)體材料主要為硅基材料和非晶硒，主要功能器件包括硅漂移探測(cè)器SDD、硅微條帶探測(cè)器、非晶硒+TFT等。

2.3.2 伽馬射線探測(cè)器

γ射線探測(cè)器主要應(yīng)用于核醫(yī)學(xué)成像、核安全監(jiān)控、天文觀測(cè)、放射性礦床勘測(cè)等領(lǐng)域。天然核素衰變輻射出的γ射線能量在幾keV到10 MeV之間，γ射線的照射量率由放射性同位素的活度和分支比共同決定。半導(dǎo)體γ射線探測(cè)材料的選擇，主要考慮以下幾個(gè)方面：(1)原子序數(shù)。由圖2(d)可以看出，在γ射線的能量區(qū)間內(nèi)，光子與物質(zhì)主要發(fā)生光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)或電子對(duì)效應(yīng)，各類相互作用截面均隨原子序數(shù)的增大而增加[4]，高原子序數(shù)元素的半導(dǎo)體輻射探測(cè)材料可以顯著提高探測(cè)器對(duì)γ射線的探測(cè)效率。(2)禁帶寬度和電阻率。γ射線探測(cè)對(duì)能量測(cè)定準(zhǔn)確性要求較高，因此優(yōu)選禁帶寬度大、電阻率高的材料，以減小體漏電流和熱噪聲，提高探測(cè)器的能量分辨率。(3)載流子遷移率壽命積，γ射線探測(cè)器的厚度大，因此半導(dǎo)體γ射線探測(cè)材料應(yīng)具有高的μτ值，載流子在漂移過程中盡可能少的被復(fù)合和俘獲，使感應(yīng)電荷收集更完全，提高探測(cè)器的能量分辨率。(4)晶體尺寸和晶體生長(zhǎng)成本。γ射線的能量較高、穿透能力強(qiáng)，想要通過γ射線與物質(zhì)的三種相互作用實(shí)現(xiàn)γ射線探測(cè)，均需要各類相互作用產(chǎn)生的次級(jí)粒子在探測(cè)材料中完全沉積能量，因此γ射線半導(dǎo)體輻射探測(cè)材料必須具備低成本、大尺寸、成熟的生長(zhǎng)工藝。對(duì)于不同的應(yīng)用場(chǎng)景，需要針對(duì)性地調(diào)整探測(cè)器的性能參數(shù)和加入特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。例如：有射線源定位需求時(shí)，需使用具有位置分辨能力的電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)屏蔽、射線準(zhǔn)直器件，使探測(cè)器具有優(yōu)秀的空間分辨能力；在放射醫(yī)療等對(duì)輻照劑量有嚴(yán)格要求的應(yīng)用中，探測(cè)器需具備高的靈敏度和探測(cè)效率，高原子序數(shù)、大晶體尺寸和大射線入射有效面積是關(guān)鍵；對(duì)于射線能量高、通量大的探測(cè)場(chǎng)合，探測(cè)器具有較大的禁帶寬度、抗輻照性能是關(guān)鍵；對(duì)于使用康普頓效應(yīng)原理探測(cè)的探測(cè)器，從理論上講，高原子序數(shù)材料的探測(cè)效率高，但低原子序數(shù)材料發(fā)生康普頓效應(yīng)的能量下限更小、能量范圍更寬，更適用于一般探測(cè)場(chǎng)景，因此需要綜合考慮射線能量范圍和探測(cè)材料對(duì)射線的“散射”和“吸收”作用，選擇探測(cè)材料相同或不同的多層探測(cè)器或單塊大尺寸探測(cè)器來實(shí)現(xiàn)射線探測(cè)和放射源位置重建的目的；使用電子對(duì)效應(yīng)原理的探測(cè)系統(tǒng)對(duì)探測(cè)器排布的對(duì)稱性要求較高，γ射線探測(cè)器通常拼接為空間平面內(nèi)的完整環(huán)形或正六邊形，依據(jù)性能需求綜合考慮探測(cè)器尺寸形狀、拼接方式、拼接直徑等問題?；谝陨蠈?duì)半導(dǎo)體γ射線探測(cè)材料和器件的性能要求，目前在γ射線探測(cè)領(lǐng)域廣泛使用的半導(dǎo)體材料主要為CdTe、CdZnTe、高純鍺HPGe等，主要功能器件包括能譜儀、伽馬相機(jī)、康普頓相機(jī)、SPECT等。

2.3.3 α粒子探測(cè)器

α粒子探測(cè)主要應(yīng)用于表面沾污儀、大氣氡含量測(cè)定、水質(zhì)檢測(cè)等與環(huán)境輻射相關(guān)的測(cè)試場(chǎng)景，在鈾礦資源勘探、半衰期測(cè)定等方面也有一些應(yīng)用。放射性同位素自然衰變產(chǎn)生的α粒子動(dòng)能通常在4～9 MeV之間，照射量率由放射性同位素的活度和分支比共同決定。半導(dǎo)體α粒子探測(cè)材料的選擇比X射線和γ射線探測(cè)材料的選擇靈活：(1)α粒子在材料中作用深度小，目前各類半導(dǎo)體晶體所能達(dá)到的厚度基本都能實(shí)現(xiàn)α粒子能量的完全沉積，α粒子探測(cè)器對(duì)材料厚度和原子序數(shù)的要求較低；(2)載流子遷移率壽命積，α粒子的電離密度高，為實(shí)現(xiàn)高的能量分辨，理論上半導(dǎo)體α射線探測(cè)材料應(yīng)具有高的μτ值，但考慮到α粒子的作用深度小，器件厚度較薄，α粒子探測(cè)因此對(duì)材料μτ的要求也較低；(3)禁帶寬度和晶格穩(wěn)定性，當(dāng)α粒子的輻照劑量較高時(shí)，在半導(dǎo)體材料內(nèi)部易產(chǎn)生局部損傷，形成缺陷團(tuán)簇，因此對(duì)于高輻照劑量α粒子探測(cè)場(chǎng)合，需要寬禁帶寬度、高晶格穩(wěn)定性的材料。除輻照劑量高的探測(cè)場(chǎng)景，α粒子探測(cè)對(duì)半導(dǎo)體探測(cè)材料性能要求不高，但由于α粒子帶電且在空氣中的射程較短僅有幾厘米，因此α粒子探測(cè)對(duì)探測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)要求較高：為減小α粒子的能量損失，α粒子探測(cè)盡可能在真空環(huán)境或小的源探距離下進(jìn)行；電磁干擾、可見光、來自核素自身或宇宙的γ射線等往往會(huì)對(duì)α粒子測(cè)試造成干擾，可使用輕金屬做電磁和可見光的屏蔽殼，使用原子序數(shù)小的探測(cè)材料或信號(hào)甄別方法減小和剝離γ射線的干擾。在α粒子探測(cè)領(lǐng)域，半導(dǎo)體探測(cè)器選材主要考慮經(jīng)濟(jì)性，應(yīng)用最廣泛的是硅基探測(cè)器，探測(cè)器類型主要為金硅面壘型、鈍化注入平面硅PIPS探測(cè)器以及Si(Li)探測(cè)器，在高輻射劑量場(chǎng)中探測(cè)α粒子主要使用的是SiC探測(cè)器。

2.3.4 β射線探測(cè)器

β粒子探測(cè)主要應(yīng)用于表面沾污儀、煙霧報(bào)警器、核素識(shí)別等領(lǐng)域。自然衰變產(chǎn)生的β射線能量通常不超過幾個(gè)MeV，β射線的最大能量與核素種類一一對(duì)應(yīng)。半導(dǎo)體β射線探測(cè)材料的選擇主要考慮以下因素：(1)原子序數(shù)。β粒子質(zhì)量小，與重元素相互作用易發(fā)生軔致輻射，因此優(yōu)選原子序數(shù)小的半導(dǎo)體輻射探測(cè)材料。(2)密度和材料厚度。β粒子在物質(zhì)中的數(shù)目衰減與探測(cè)材料厚度近似呈指數(shù)關(guān)系，衰減范圍與物質(zhì)的密度呈反比，β射線在材料中的作用深度稍大于α粒子，因此β射線探測(cè)器優(yōu)選密度大的材料，對(duì)材料厚度要求較低。(3)載流子遷移率壽命積。β射線探測(cè)的一個(gè)重要應(yīng)用是根據(jù)β射線的最大能量進(jìn)行核素識(shí)別[4]，需要統(tǒng)計(jì)β粒子數(shù)目隨厚度的變化規(guī)律，因此半導(dǎo)體β射線探測(cè)材料具有高的μτ，使得探測(cè)器具有快響應(yīng)和高計(jì)數(shù)能力。β射線本質(zhì)為電子和負(fù)電子，因此β射線探測(cè)對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和相關(guān)材料的要求也比較高，源的托架和屏蔽殼應(yīng)選擇鋁、玻璃、塑料、混凝土等低原子序數(shù)的材料，屏蔽腔要足夠大，以減少環(huán)境中軔致輻射產(chǎn)生的散射β射線的影響。核素在發(fā)射β射線時(shí)通常也伴隨著γ射線，需要依據(jù)β射線和γ射線在物質(zhì)中的相互作用的特點(diǎn)加以鑒別。在β射線探測(cè)領(lǐng)域，金硅面壘型探測(cè)器和高純鍺探測(cè)器組成的ΔE-E輻射探測(cè)器應(yīng)用最為廣泛。

2.3.5 中子探測(cè)器

中子探測(cè)器主要應(yīng)用于大氣和地表媒介參數(shù)研究、微量痕量元素分析、快速無損檢測(cè)、油礦煤礦勘探等領(lǐng)域。核技術(shù)應(yīng)用研究主要關(guān)注慢中子和快中子，對(duì)于更高能量的中子，通常使用氫慢化劑使中子減速再進(jìn)行探測(cè)。中子探測(cè)一般是利用它與物質(zhì)原子核發(fā)生相互作用產(chǎn)生的次級(jí)粒子，獲得穩(wěn)態(tài)中子場(chǎng)中子注量率、能量等信息。慢中子探測(cè)主要通過測(cè)量中子與原子核反應(yīng)后放出的能量較高的帶電粒子或γ射線實(shí)現(xiàn)，快中子探測(cè)主要通過探測(cè)反沖核電荷以及反沖核使物質(zhì)電離和激發(fā)產(chǎn)生的載流子實(shí)現(xiàn)。半導(dǎo)體中子探測(cè)材料的選擇，主要考慮以下幾個(gè)方面：(1)中子與半導(dǎo)體中子轉(zhuǎn)換層材料的作用截面。中子在中子轉(zhuǎn)換層中與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生能被后續(xù)探測(cè)單元探測(cè)的次級(jí)粒子，這一層材料需要與中子有較大的反應(yīng)截面，常常包含3He、6Li、10B以及Cd和Gd的同位素等，中子與物質(zhì)反應(yīng)的截面大小與中子能量也密切相關(guān)，轉(zhuǎn)換層材料成分和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還需考慮中子場(chǎng)的能量特點(diǎn)，相比于α、X、γ射線與物質(zhì)的作用截面，中子的作用截面較小，探測(cè)效率普遍較低。(2)次級(jí)粒子與次級(jí)粒子探測(cè)層材料的相互作用截面。次級(jí)粒子探測(cè)層主要探測(cè)在轉(zhuǎn)換層中產(chǎn)生的次級(jí)粒子，α粒子、高能質(zhì)子及γ射線等均為可能的次級(jí)粒子，次級(jí)粒子探測(cè)器設(shè)計(jì)要點(diǎn)如上文所述。(3)n/γ分辨。中子反應(yīng)常伴隨γ射線的產(chǎn)生及其與物質(zhì)的相互作用，因此需要通過分析電離輻射的性質(zhì)、沉積的能量、射線入射深度、信號(hào)上升時(shí)間等方法鑒別n/γ，例如使用薄中子轉(zhuǎn)換層和薄次級(jí)粒子探測(cè)層的雙層探測(cè)器，中子通過相互作用沉積其所有能量，而γ射線由于穿透深度大幾乎不沉積能量，由此實(shí)現(xiàn)中子探測(cè)和γ射線屏蔽?；谝陨蠈?duì)半導(dǎo)體中子探測(cè)材料和器件的性能要求，目前在中子探測(cè)領(lǐng)域廣泛使用的半導(dǎo)體材料主要為BN、6LiF、金剛石、碳化硅等。

器件設(shè)計(jì)是半導(dǎo)體在不同輻射探測(cè)場(chǎng)景中取得較優(yōu)性能表現(xiàn)的關(guān)鍵，不僅對(duì)半導(dǎo)體材料提出要求，還需進(jìn)行合理的探測(cè)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等，在實(shí)際應(yīng)用中，半導(dǎo)體輻射探測(cè)材料大多均遵循了這樣的器件設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

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

鍺、硅是應(yīng)用最為廣泛的半導(dǎo)體材料，也是最早應(yīng)用于輻射探測(cè)器的半導(dǎo)體材料。1949年到1956年，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)鍺二極管加反向偏壓可以實(shí)現(xiàn)α粒子的探測(cè)，且信號(hào)響應(yīng)與α粒子能量是線性關(guān)系。在1960—1965年間，得益于高溫雜質(zhì)擴(kuò)散和電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)離子漂移技術(shù)，鋰漂移鍺探測(cè)器Ge(Li)問世，大尺寸Ge(Li)探測(cè)器具備高的能量線性，實(shí)現(xiàn)了對(duì)0.5～10 MeV的γ射線的探測(cè)。1965年前后，Borkowski和Kopp首次報(bào)道了HPGe探測(cè)器，Hall等[5]制備出了探測(cè)器級(jí)HPGe晶體和8 mm厚的HPGe探測(cè)器，HPGe的禁帶寬度為0.7 eV，平均電離能小，通過液氮冷卻方式工作，在110 K以下具有極高的能量分辨率，F(xiàn)WHM@59.5 keV=0.9 keV、FWHM@1.3 MeV=2 keV，在核素識(shí)別、活度測(cè)量、射線分析等方面具有較好的性能表現(xiàn)。HPGe可生長(zhǎng)大尺寸(4～6英寸)晶體，探測(cè)射線的能量范圍廣，HPGe探測(cè)器的結(jié)構(gòu)類型豐富可滿足不同場(chǎng)景的應(yīng)用需求，例如N型同軸型常用于反康普頓γ能譜測(cè)量，平面型通常用于軟X射線探測(cè)和同步輻射研究，井型通常用于小體積源井內(nèi)測(cè)量的場(chǎng)景，HPGe探測(cè)器的常見構(gòu)型如圖5所示。HPGe探測(cè)器的背景輻射極低、性能穩(wěn)定，2000年以來，HPGe探測(cè)器在中微子質(zhì)量測(cè)定、無中微子雙衰變實(shí)驗(yàn)[6]、暗物質(zhì)研究[7]等低本底測(cè)量領(lǐng)域也取得了應(yīng)用。HPGe原子序數(shù)較低，光電效率較低，高分辨能譜中存在較高水平的康普頓平臺(tái)，但HPGe探測(cè)器仍是目前能量分辨率最高的半導(dǎo)體探測(cè)器，是輻射探測(cè)領(lǐng)域的金標(biāo)準(zhǔn)，在基礎(chǔ)研究、核安全監(jiān)控等領(lǐng)域占有重要地位。

1958年金硅面壘二極管探測(cè)器和P-N結(jié)型硅探測(cè)器證明了硅具有輻射探測(cè)性能。20世紀(jì)70年代，鋰漂移技術(shù)成功應(yīng)用于硅，Si(Li)探測(cè)器成為最主要的高分辨X射線探測(cè)器。20世紀(jì)80年代，二維平面技術(shù)[9-10]、點(diǎn)接觸電極[11]等技術(shù)應(yīng)用于硅半導(dǎo)體探測(cè)器，微條帶探測(cè)器、雜化像素探測(cè)器、漂移探測(cè)器[12]、電荷耦合器件等位置靈敏型探測(cè)器也逐漸成為研究前沿，拓展了硅在射線成像和芯片領(lǐng)域的發(fā)展，其中硅漂移探測(cè)器的工作原理如圖6(a)所示。20世紀(jì)90年代以來硅光電探測(cè)器又發(fā)展出硅線性陣列探測(cè)器、硅APD陣列探測(cè)器、三位柱狀電極硅探測(cè)器、三維溝槽電極硅探測(cè)器等類型[13-17]。近十年來，基于硅微條拼接結(jié)構(gòu)的深硅探測(cè)器迅速發(fā)展[18]，硅光子計(jì)數(shù)能譜探測(cè)系統(tǒng)的研發(fā)成為熱點(diǎn)，深硅探測(cè)器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖6(b)所示。硅的禁帶寬度為1.12 eV，理論工作溫度為210～240 K[19]，隨著半導(dǎo)體溫差制冷技術(shù)的應(yīng)用，硅基輻射探測(cè)器目前可在室溫工作，硅的載流子μτ高，電荷收集效率高，隨著離子注入、表面鈍化氧化等工藝的發(fā)展使得硅探測(cè)器的室溫漏電流減小，Kemmer等[10]報(bào)道的經(jīng)離子注入和表面鈍化處理后的硅探測(cè)器，F(xiàn)WHM@5.486 MeV(α)=10.6 keV，能量分辨率顯著提高。12英寸大尺寸硅單晶的生長(zhǎng)工藝也基本成熟，硅探測(cè)器主要通過光電效應(yīng)探測(cè)能量在30 eV～30 keV的X和γ射線以及作為康普頓效應(yīng)中的散射層材料探測(cè)能量在幾百keV到幾MeV的γ射線。硅探測(cè)器是為數(shù)不多在帶電粒子探測(cè)、X射線成像、γ射線探測(cè)等領(lǐng)域均有較為成熟應(yīng)用的材料。

圖5 HPGe探測(cè)器的常見構(gòu)型[8]。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Fig.5 Common configuration of HPGe detector[8]. According to the reading order, they are plane, semi-coaxial, coaxial, well type, n-type single-ended coaxial and p-type single-ended coaxial

圖6 (a)硅漂移探測(cè)器的工作原理[12]，電子在探測(cè)器中心平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，在末端的零電勢(shì)陽(yáng)極被收集，空穴垂直于電極運(yùn)動(dòng) 被電極收集;(b)深硅探測(cè)器示意圖[18]，探測(cè)器共有800個(gè)探測(cè)器元件和5個(gè)具有光子計(jì)數(shù)和能量鑒別功能的ASIC， 白線為探測(cè)器元件ASIC分組Fig.6 (a) The working principle of silicon drift detector[12], electrons move in the center plane of the detector, and are collected by the anode at the end, the holes move perpendicular to the electrode and are collected by the electrode; (b) schematic diagram of silicon detector[18], the detector has a total of 800 detector elements and 5 ASIC with photon counting and energy discrimination functions, the white lines are the ASIC groups of the detector elements

3.1.2 金剛石和碳化硅探測(cè)器

金剛石和SiC是典型的寬禁帶半導(dǎo)體，得益于大的禁帶寬度，二者電阻率高、平均電離能大、本征載流子濃度和電子空穴對(duì)產(chǎn)額低、探測(cè)器熱噪聲小、暗電流水平低，信噪比很高，在惡劣的高溫環(huán)境下仍具有較高的能量分辨率。金剛石和SiC共價(jià)鍵結(jié)合強(qiáng)度高，抗腐蝕性能優(yōu)異，在高能核物理反應(yīng)中的級(jí)聯(lián)過程和多重散射效應(yīng)弱，抗輻照性能強(qiáng)，且機(jī)械強(qiáng)度高，在震動(dòng)和顛簸環(huán)境中晶體不易碎裂。此外，金剛石的原子序數(shù)低，對(duì)X射線和γ射線的光電探測(cè)效率低，但金剛石的康普頓散射截面在較寬能量區(qū)間內(nèi)相較其他相互作用的截面大，也常被用作多層康普頓相機(jī)中的散射層材料。金剛石探測(cè)器的飽和電場(chǎng)高，載流子漂移速度很快，非平衡載流子渡越時(shí)間短，寬禁帶的金剛石探測(cè)器具有亞納秒級(jí)的時(shí)間分辨率[20]。金剛石和SiC均含有C元素，C與快中子的相互作用截面大，與低能中子的相互作用截面較小，金剛石可以通過化學(xué)氣相沉積在金剛石晶體生長(zhǎng)過程中摻入6Li、10B等元素,SiC可在表面制備一層6LiF形成結(jié)型器件實(shí)現(xiàn)對(duì)低能中子的探測(cè)。目前4英寸SiC晶體生長(zhǎng)技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，50～100 mm金剛石的生長(zhǎng)工藝也不斷進(jìn)步，金剛石和SiC在極度高溫、存在化學(xué)腐蝕以及高輻射劑量的中子和帶電粒子探測(cè)應(yīng)用中具有不可替代的地位。

3.2 ⅢA-ⅤA族

3.2.1 砷化鎵探測(cè)器

用GaAs單晶作為核輻射探測(cè)器材料已有五六十年的歷史，目前已成功生長(zhǎng)出6英寸的單晶。GaAs是直接帶隙半導(dǎo)體，禁帶寬度為1.43 eV，研究者在1960年證實(shí)了n型和p型高阻GaAs可作粒子計(jì)數(shù)器，這是關(guān)于室溫輻射探測(cè)器的首次報(bào)道。1970年，Eberhardt等[21]將高純度n型GaAs作為基片制成可在77～373 K的溫度范圍內(nèi)工作的結(jié)型α粒子和γ射線探測(cè)器。1976年，Borrego等[22]研究了Au-Al合金與GaAs形成的肖特基二極管的中子輻射效應(yīng)。1992年，Benz等[23]首次用GaAs探測(cè)器在室溫下觀測(cè)到20 keV的X射線，拓展了GaAs探測(cè)器在低能射線光譜學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用[24-25]。21世紀(jì)以來，Cr補(bǔ)償GaAs電阻型、表面勢(shì)壘型和PIN型等結(jié)構(gòu)的GaAs輻射探測(cè)器相繼發(fā)展，實(shí)現(xiàn)在較廣的溫度區(qū)間內(nèi)(130～393 K)α粒子能譜探測(cè)，并將X、γ射線的能量響應(yīng)范圍拓展到2～100 keV，Amendolia等[26]依托CERN的技術(shù)支持開展GaAs乳房X射線成像設(shè)備的研制，他們?cè)O(shè)計(jì)的成像模塊如圖7(a)所示。在GaAs晶體表面蒸一層10B、6LiF等也可實(shí)現(xiàn)快速高效的中子和次級(jí)粒子的探測(cè)[27-28]，GaAs熱中子探測(cè)器的探測(cè)原理如圖7(b)所示。

圖7 (a)GaAs像素探測(cè)器乳房X射線成像模塊[26];(b)GaAs肖特基勢(shì)壘熱中子探測(cè)器[28]Fig.7 (a) GaAs pixel detector mammography imaging module[26]; (b) GaAs Schottky barrier thermal neutron detector[28]

3.2.2 氮化硼和銻化銦探測(cè)器

BN有立方和六方兩種晶型，其禁帶寬度較金剛石更大，電阻率和平均原子序數(shù)與金剛石相當(dāng)，電子和空穴遷移率壽命積相近，化學(xué)性能穩(wěn)定，在極端環(huán)境輻射探測(cè)領(lǐng)域也極具優(yōu)勢(shì)。10B是所有核素中熱中子俘獲截面最大的元素，BN是性能最好的熱中子探測(cè)材料。

InSb具有高原子序數(shù)、高密度、低禁帶寬度、低電阻率的特點(diǎn)，其禁帶寬度僅為HPGe的1/4，在低溫下其本征能量分辨率比HPGe更高，但受限于探測(cè)器制備技術(shù)，InSb探測(cè)器的耗盡層厚度小，常用僅可在低溫下探測(cè)Pb、U等重元素發(fā)射出的能量在20 keV以下的L層特征X射線以及Y、Zr等中等質(zhì)量元素的K層特征X射線，在原子和原子核的精細(xì)能級(jí)分析方面有巨大的應(yīng)用潛力。將InSb探測(cè)器放置于充滿3He氣體的容器內(nèi)，InSb探測(cè)器可通過探測(cè)3He與熱中子相互作用產(chǎn)生的低能光子和氚核實(shí)現(xiàn)熱中子探測(cè)。

3.3 ⅡB-ⅥA族

3.3.1 碲化鎘、碲鋅鎘和碲錳鎘探測(cè)器

CdTe是直接帶隙半導(dǎo)體材料，禁帶寬度約為1.44 eV，適宜在室溫下工作。原子序數(shù)高，對(duì)X射線和γ射線的阻止能力強(qiáng)、本征探測(cè)效率高。電阻率較高，工作漏電流較小，CdTe探測(cè)器在室溫輻射探測(cè)領(lǐng)域占有重要地位。CdTe探測(cè)器通常為結(jié)型結(jié)構(gòu)，工作一段時(shí)間后會(huì)產(chǎn)生極化效應(yīng)，載流子在探測(cè)器內(nèi)逐漸積累形成空間電荷區(qū)，產(chǎn)生內(nèi)建電場(chǎng)削弱外加電場(chǎng)，使探測(cè)性能惡化。

1984年，Bell等[29]用大面積Cd0.96Zn0.04Te單晶代替CdTe作HgCdTe的外延生長(zhǎng)襯底，發(fā)現(xiàn)生長(zhǎng)出的HgCdTe缺陷密度很低，可滿足高性能紅外探測(cè)器陣列的要求。CdZnTe是由CdTe和ZnTe固溶形成的三元化合物，輻射探測(cè)領(lǐng)域使用較多的碲鋅鎘為Cd0.9Zn0.1Te。1992年，Doty等[30]證明了CdZnTe對(duì)γ射線的探測(cè)能力，1993年，具有臨床實(shí)用價(jià)值的碲鋅鎘腦部單光子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層成像設(shè)備[31-32]問世，標(biāo)志著核醫(yī)學(xué)儀器在硬件上的新突破。1994—1996年，Hamilton等[33-34]制備了低漏電流、高電阻率的PIN結(jié)構(gòu)的p-HgCdTe、CdZnTe、n-HgCdTe疊層探測(cè)器，實(shí)現(xiàn)了高能量分辨、寬能量范圍的γ射線探測(cè)。西北工業(yè)大學(xué)介萬奇教授課題組[35]成功生長(zhǎng)出4英寸的CdZnTe單晶，孵化了陜西迪泰克新材料有限公司，并對(duì)CdZnTe的高阻機(jī)制、器件性能調(diào)控、輻照損傷、外延單晶生長(zhǎng)進(jìn)行了深入研究[36-40]。CdZnTe是目前國(guó)際公認(rèn)的綜合性能較好[41]、發(fā)展前景廣闊的半導(dǎo)體輻射探測(cè)與成像材料，其主要優(yōu)勢(shì)在于[42]：原子序數(shù)大，對(duì)射線的阻止能力強(qiáng)、本征探測(cè)效率高、探測(cè)器體積??；禁帶寬度為1.57 eV，適宜在室溫下工作，無需制冷，器件結(jié)構(gòu)緊湊，平均電離能小，信號(hào)統(tǒng)計(jì)漲落小，能量分辨率和信噪比高；化學(xué)穩(wěn)定性好，對(duì)濕度不敏感；探測(cè)器級(jí)CdZnTe電阻率通常在1010Ω·cm以上[43]，比CdTe的電阻率高一個(gè)量級(jí)，CdZnTe探測(cè)器工作漏電流小，器件結(jié)構(gòu)可以直接采用歐姆型，無極化現(xiàn)象；CdZnTe的電子輸運(yùn)性能優(yōu)于CdTe，而CdZnTe的空穴輸運(yùn)性能相較CdTe略差，常伴有空穴拖尾的問題，CdZnTe探測(cè)器通常采用單極性電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案[44-46]，提高電子在感應(yīng)信號(hào)中的權(quán)重比例以及減小空穴收集不完全的不利影響。CdZnTe在X射線、γ射線探測(cè)和成像領(lǐng)域極具優(yōu)勢(shì)，基于CdZnTe的CT、伽馬相機(jī)、康普頓相機(jī)、心臟專用SPECT、腦部專用SPECT、PET等高端工業(yè)和醫(yī)療設(shè)備[35,47-53]成為研發(fā)和應(yīng)用的熱點(diǎn)，CdZnTe在輻射檢測(cè)、核醫(yī)學(xué)放射成像、安檢、工業(yè)無損檢測(cè)等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，圖8展示了CdZnTe晶體以及部分國(guó)際先進(jìn)的CdZnTe核醫(yī)學(xué)和工業(yè)設(shè)備。

圖8 CdZnTe晶體和基于CdZnTe開發(fā)的核醫(yī)學(xué)和工業(yè)設(shè)備。(a)迪泰克公司制備的CdZnTe晶體； (b)GE Healthcare公司Discovery NM530c心臟顯像儀；(c)H3D公司的H系列工業(yè)成像光譜儀Fig.8 CdZnTe crystals and nuclear medicine and industrial equipment developed based on CdZnTe. (a) CdZnTe crystals prepared by Imdetek; (b) Discovery NM530c cardiac imaging instrument from GE Healthcare; (c) H series industrial imaging spectrometer from H3D

Cd1-xMnxTe是由CdTe與MnTe固溶形成的均勻三元化合物，也是直接帶隙半導(dǎo)體材料，Cd1-xMnxTe中化學(xué)鍵的離子性強(qiáng)，易形成六方晶型和閃鋅礦結(jié)構(gòu)孿晶。CdMnTe材料生長(zhǎng)態(tài)電阻率低，僅有105～106Ω·cm，經(jīng)過In摻雜后，CdMnTe的電阻率可達(dá)1010Ω·cm量級(jí)，可以有效降低器件工作漏電流，具有較好的X射線、γ射線探測(cè)性能。

3.3.2 非晶硒探測(cè)器

非晶硒的熔點(diǎn)為210 ℃，飽和蒸氣壓高，易揮發(fā)，可通過真空熱蒸鍍技術(shù)經(jīng)濟(jì)地制備均勻、大面積1 000 μm厚膜。硒的原子序數(shù)為32，由圖2(d)可知其對(duì)X射線的光電吸收效率高。其禁帶寬度在2～2.3 eV范圍內(nèi)，可在室溫下工作，但非晶硒在40～60 ℃會(huì)發(fā)生晶化，在使用過程中需要控制溫度。非晶硒電阻率較高，材料介電常數(shù)小，探測(cè)器暗電流小。在非晶硒探測(cè)器中，電荷傳輸在室溫下是非分散的，非晶硒在電場(chǎng)強(qiáng)度大于10 V/μm情況下表現(xiàn)出優(yōu)秀的X射線光電導(dǎo)性，且暗電流和熱噪聲很小，當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)一步提高到70～80 V/μm的情況下，非晶硒探測(cè)器內(nèi)部發(fā)生雪崩效應(yīng)，顯著提高光電轉(zhuǎn)換增益，非晶硒有望被開發(fā)成為超高靈敏度的高增益雪崩沖擊光電導(dǎo)體[54]。將非晶硒和薄膜晶體管TFT結(jié)合開發(fā)出的平面X射線成像系統(tǒng)(FPXI)已在乳房X線成像領(lǐng)域被廣泛研究和應(yīng)用[55]，非晶硒平板探測(cè)器像素結(jié)構(gòu)和非晶硒模塊如圖9所示。

圖9 (a)非晶硒平板X射線成像儀(FPXI)像素示意圖;(b)有源矩陣陣列(AMA)基板上的非晶硒光 電導(dǎo)層與外圍電子設(shè)備[55]Fig.9 (a) Schematic diagram of the pixels of the amorphous selenium flat panel X-ray imager (FPXI); (b) the amorphous selenium photoconductive layer and peripheral electronic equipment on the active matrix array (AMA) substrate[55]

3.4 其他族序

3.4.1 鈣鈦礦探測(cè)器

鹵化物鈣鈦礦是具有直接帶隙的離子晶體，常含高原子序數(shù)元素(如Pb)。鈣鈦礦材料的原子缺陷容忍度高，載流子遷移率適中，在強(qiáng)電場(chǎng)條件下易發(fā)生離子遷移形成內(nèi)建電場(chǎng)，使器件結(jié)構(gòu)和性能產(chǎn)生不可逆的惡化。鈣鈦礦晶體通常同時(shí)具有很好的光學(xué)特性，可以選擇半導(dǎo)體工作模式或閃爍體工作模式進(jìn)行輻射探測(cè)。2014年，Hoke等[56]使用無鉛、原子序數(shù)高、離子遷移抑制能力強(qiáng)、熱穩(wěn)定性和濕度穩(wěn)定性較好的Cs2AgBiBr6單晶實(shí)現(xiàn)X射線探測(cè)。2015年，Que等[57]報(bào)道了用MAPbI3探測(cè)X射線，器件靈敏度和探測(cè)效率高，具有一定的耐久性。2016年，Yuan等[58]用金屬鹵化物鈣鈦礦首次直接探測(cè)到了伽馬射線。2018年，Chen等[59]制備出柔性、高靈敏度、低檢測(cè)下限的全無機(jī)鈣鈦礦X射線閃爍體探測(cè)器。鈣鈦礦成本低廉、制備工藝簡(jiǎn)單，通過制備工藝和成分優(yōu)化，目前鈣鈦礦的探測(cè)極限、靈敏度、能量分辨率等性能整體提高，但作為半導(dǎo)體探測(cè)器使用時(shí)，其離子遷移問題仍未得到很好的解決，未來有望在柔性X射線成像領(lǐng)域有較大應(yīng)用潛力。

3.4.2 溴化鉈和含碘半導(dǎo)體探測(cè)器

TlBr具有高的原子序數(shù)、密度和電阻率，對(duì)射線有很強(qiáng)的阻止能力，禁帶寬度較寬，能夠滿足室溫和稍高溫度的探測(cè)需求，器件漏電流較小。但TlBr載流子遷移率壽命積較小，器件不能做厚；TlBr晶體在室溫下連續(xù)工作幾個(gè)小時(shí)后，Tl+和Br-會(huì)發(fā)生離子遷移，探測(cè)器出現(xiàn)較為嚴(yán)重的極化效應(yīng)；TlBr質(zhì)軟且兩種單質(zhì)元素均有劇毒，晶體生長(zhǎng)過程存在較大安全隱患，器件制備和使用也多有不便。TlBr對(duì)低于463 nm的波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光子表現(xiàn)出高的量子效率，除可以直接探測(cè)高能射線，還可作為GSO和LSO閃爍輻射探測(cè)譜儀中的光探測(cè)器。

HgI2、PbI2、BiI3均具有原子序數(shù)高、密度高以及禁帶寬度較大的特點(diǎn)，三者均具有層狀結(jié)構(gòu)，層間靠范德華力相接，結(jié)合力較弱，載流子輸運(yùn)性能差，晶體長(zhǎng)大普遍困難。HgI2在從熔點(diǎn)降溫的過程中會(huì)發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變，在器件工作過程中還會(huì)產(chǎn)生穩(wěn)定極化效應(yīng)，PbI2和BiI3則不會(huì)產(chǎn)生破壞性的相結(jié)構(gòu)，鑒于BiI3在核輻射探測(cè)的研究尚未獲得結(jié)果，PbI2被認(rèn)為是HgI2的一種穩(wěn)定替代物。HgI2探測(cè)器目前在X射線、低能γ射線、α粒子以及熱中子探測(cè)領(lǐng)域取得一些進(jìn)展，PbI2探測(cè)器目前僅在室溫探測(cè)X射線、低能γ射線探測(cè)領(lǐng)域有一些初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

TlBr、HgI2、PbI2和BiI3在輻射探測(cè)領(lǐng)域均取得一定的研究結(jié)果，但受限于材料成分和晶體特性，存在晶體不穩(wěn)定、載流子遷移能力差、毒性、極化等難以解決的問題，限制了其進(jìn)一步的發(fā)展。此外InP、Bi2S3、AlSb、TlPbI3、GaSe等諸多材料均表現(xiàn)出一定的輻射探測(cè)性能，但材料屬性決定了這些材料在其他領(lǐng)域具有更廣闊的應(yīng)用，在此不進(jìn)一步贅述，常見半導(dǎo)體輻射探測(cè)材料的性能參數(shù)如表2所示。

表2 常見半導(dǎo)體輻射探測(cè)材料性能匯總Table 2 Summary of the performance of common semiconductor radiation detection materials

4 半導(dǎo)體輻射探測(cè)器的發(fā)展

盡管半導(dǎo)體輻射探測(cè)器的開發(fā)和應(yīng)用已經(jīng)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。

(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。晶體尺寸和晶體質(zhì)量是探測(cè)器能量分辨率、探測(cè)能量范圍、探測(cè)效率的決定性因素，材料處理工藝是探測(cè)器更好發(fā)揮探測(cè)性能的關(guān)鍵步驟，制備成本是各類材料取得廣泛應(yīng)用的重要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。目前報(bào)道的半導(dǎo)體輻射探測(cè)材料，僅Si和Ge擁有成熟度高、成本低的單晶生長(zhǎng)和加工工藝，大部分材料均面臨著高質(zhì)量晶體生長(zhǎng)和處理工藝的制約，如CdTe、InSb、TlBr等晶體尺寸較小，CdMnTe、鈣鈦礦、HgI2、PbI2、BiI3等普遍存在結(jié)晶質(zhì)量較低、晶體穩(wěn)定性差和加工困難的問題，CdZnTe、金剛石、SiC等大尺寸單晶的生長(zhǎng)成本較高，在一定程度上限制了上述材料在輻射探測(cè)中發(fā)揮其性能優(yōu)勢(shì)。高質(zhì)量晶體制備和處理是半導(dǎo)體輻射探測(cè)材料取得廣泛應(yīng)用要解決的最根本和最重要的問題。

(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。例如：對(duì)于GaAs、CdZnTe、CdTe等電子輸運(yùn)性能遠(yuǎn)優(yōu)于空穴的半導(dǎo)體材料，通常使用單極性電極設(shè)計(jì)方法，通過探測(cè)器權(quán)重勢(shì)優(yōu)化感應(yīng)信號(hào)的收集，提高探測(cè)器的能量分辨能力；對(duì)于利用康普頓效應(yīng)探測(cè)γ射線的康普頓相機(jī)，重點(diǎn)考慮探測(cè)器由原子序數(shù)小的散射層(如Si(Li)、SiC、金剛石)和原子序數(shù)高的吸收層(如CdTe、CdZnTe)構(gòu)成還是單塊大尺寸晶體(如CdZnTe)構(gòu)成；當(dāng)基于半導(dǎo)體探測(cè)器深度開發(fā)具有一定特征功能的SPECT、PET等設(shè)備時(shí)，需要進(jìn)一步考慮射線作用原理和應(yīng)用需求，明確探測(cè)材料的選擇、探測(cè)器封裝、源探關(guān)系、探測(cè)器尺寸形狀和排布、探測(cè)器電極結(jié)構(gòu)、射線準(zhǔn)直器和屏蔽層、探測(cè)器工作條件等環(huán)節(jié)對(duì)探測(cè)器性能的影響，優(yōu)化輻射探測(cè)器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

(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。另一方面加強(qiáng)探測(cè)器信號(hào)分析和信息獲取能力，開展能譜解析算法、光場(chǎng)耦合算法、圖像重建算法、運(yùn)動(dòng)成像算法、多視角耦合成像算法研究，進(jìn)一步結(jié)合人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、機(jī)器學(xué)習(xí)等大數(shù)據(jù)分析方法，解決傳統(tǒng)分析方法在大數(shù)據(jù)、復(fù)雜能譜情況下難以計(jì)算和處理的問題，提高半導(dǎo)體探測(cè)器的探測(cè)和結(jié)果分析效率，拓展半導(dǎo)體探測(cè)器應(yīng)用深度和廣度。