【原创】金刚石辐射探测器：极端环境下的能力王者!

中国粉体网讯  辐射探测是一种重要的科技手段，它的应用范围极为广泛，上到外太空探索，下到生活的方方面面，对于人类的健康和生存、科学研究和社会发展都具有重要的意义。

为了确保辐射探测技术的安全应用，对传统半导体探测器的性能提出了新的要求，新一代探测器的研发迫在眉睫。相比传统气体、闪烁体、高纯锗，以及硅基等，金刚石拥有卓越的抗辐照性能以及超快的时间响应，被认为是用于脉冲辐射场/强辐射场最理想的半导体探测器材料，十分适合极端环境下的强辐射场测量。

金刚石的辐射探测优势

金刚石晶体的结构中相邻的碳原子通过四面体成键方式相连。每个碳原子的SP³杂化轨道与其他四个碳原子形成共价键，共享电子对。这种共价键的键长约为1.55×10^-10m，键角为109°28’，形成了正四面体的结构。由于晶体结构中C-C键很强，每个碳原子的所有价电子都参与了共享，无自由电子，这也造就了金刚石材料在电学、光学、力学等方面出色的性能。 

金刚石的晶胞结构

C的原子序数Z=6，较低的原子序数使它们在高能级联和多重散射过程中受到的散射和损伤较少。此外，C元素的物理特性与人体肌肉和组织相似，因此它们可以用来模拟人体在辐射环境下的反应和损伤。这种模拟对于放射性医疗研究和治疗的发展非常重要，因为它可以提供更准确的数据和评估，帮助科学家和医生了解辐射对人体的影响，并改善治疗方案的设计和效果。

金刚石具有较宽的禁带宽度(Eg)为5.47eV，这意味着它具有较强的抗辐照特性及低的本征载流子浓度，以金刚石制成的探测器具有极低的暗电流，在低辐射下性能优异。在晶体中，电子和空穴的迁移率(μ)分别为4500cm²/V·s和3800cm²/V·s，相对介电常数(εr)为5.7，同尺寸下寄生电容仅为硅的0.5倍。因此金刚石探测器可以实现ps级的响应时间，输出信号也可以获得更低的噪声水平。

金刚石与其他半导体材料参数对比

通过上表可以看出，金刚石较其他材料而言具有明显的优势。以金刚石材料制成的探测器能够检测从α、γ、X射线到紫外光等不同类型放射源，在快速时序应用和环境辐射监测方面具有良好的应用前景。

金刚石辐射探测器工作原理

金刚石核探测器的响应由四个阶段组成，分别为能量沉积、电子空穴对的产生、非平衡载流子的输运、电子空穴对的收集。

金刚石探测器可以在多种辐射下工作，包括α粒子、β粒子、γ射线、X射线、中子核辐射、离子核辐射等。带电粒子与金刚石材料主要发生电磁相互作用，具体作用过程为辐射粒子入射到晶体后会与晶体内的价电子进行一系列的碰撞，在这一过程中造成晶体内价电子的电离或激发，形成许多电子-空穴对。通过外部电压的驱动下，电子-空穴对定向移动产生微弱的电流信号，经过外部前置放大电路的处理，即可在示波器观察响应信号的波形。

金刚石探测器工作原理示意图

金刚石辐射探测器的性能评价指标 

暗电流、能量分辨率、电荷收集率的高低是评估金刚石探测器好坏的重要指标。高性能的金刚石探测器，一般具有低的暗电流、好的能量分辨率、高的电荷收集效率、对信号的快速响应以及良好的耐辐射性和温度稳定性。

暗电流测试是指在不接受辐射粒子的作用下，通过在电极两端施加电压来测试其内部漏电流。暗电流的量级是评价探测器的重要环节，高性能探测器其暗电流为pA甚至fA量级。探测器暗电流主要受探测器晶体材料的影响，杂质及缺陷越少暗电流数值越低。

能量分辨率是指辐射探测器对辐照射线所携带能量大小的分辨能力。能量分辨率数值越小，则表示探测器对粒子能量的区分精度越高。能量分辨率也是判断探测器性能的重要指标，多种因素会对探测器的能量分辨率产生影响，但最为重要的仍是晶体质量，晶体内部的杂质缺陷会俘获辐照下电离产生的电子空穴对，在外电场的作用下会在金刚石内部或表面产生极化现象。

探测器的电荷收集效率(CCE)是指探测器金属电极两端收集到的电荷量Q_c与探测器在辐照下晶体内部产生的电荷数Q_in的比值,即: CCE=Q_c/Q_in。当探测器外部电路增益不变的情况下，探测器电极收集到电荷的数量将会直接决定输出信号脉冲的幅值。因此，电荷收集效率的高低会对探测器能量分辨率产生影响。电荷收集效率的高低也成为了评价探测器性能的重要参考。 

未来与发展

随着化学气相沉积技术日臻成熟，金刚石核辐射探测器及其相关电子器件的开发与应用得到极大促进。金刚石核辐射探测器的品质与金刚石材料中的杂质和缺陷密切相关。杂质和缺陷主要影响载流子的产生和输运，进而影响探测器的电荷收集效率、响应时间、信噪比等关键参数。

由于多晶金刚石中晶界的存在，其电荷输运性能远逊于单晶金刚石，因此高质量金刚石核辐射探测器的制备材料通常使用“电子级”单晶金刚石。在晶体材料生长方面，研究工作主要集中在大尺寸金刚石生长和掺杂技术的研究上，尚未建立起适合金刚石核辐射探测器的材料筛选方法；同时探测器的器件结构、金刚石微机电系统工艺、晶体的非破坏性表征以及器件物理机理等方面的基础理论研究还需要进一步加强。

近年来，我国的金刚石辐射探测器在电荷收集性能上取得突破性进展，在器件和材料研究方面也正在迅速提升。2024年12月24日，中国粉体网将在河南·郑州举办“2024半导体行业用金刚石材料技术大会”。届时，我们邀请到西安电子科技大学张金风教授出席本次大会并作题为《金刚石辐射探测器级材料制备和器件性能研究》的报告，将为您具体介绍金刚石辐射探测领域的国内外研究进展，及西安电子科技大学在金刚石辐射探测器和材料领域取得的重要进展。

专家简介

张金风，西安电子科技大学微电子学院教授，博士生导师。郝跃院士宽禁带半导体团队金刚石半导体方向带头人，国家级科技创新领军人才。主持了国家重点研发计划项目，自然科学基金重点项目等科研项目，出版国内第一部氮化物半导体领域专著《氮化物宽禁带半导体材料和电子器件》以及金刚石半导体器件相关著作《金刚石半导体器件前沿技术》和《宽禁带半导体核辐射探测器》, 发表学术论文70余篇，授权国家发明专利40余项，获得省部级一等奖两项和国家级创新团队奖。

参考来源：

1.牟恋希等. CVD人造金刚石核辐射探测器研究进展.人工晶体学报

2.赵鑫等. 金刚石核辐射探测器研究进展.防化研究

3.刘群等. 高性能金刚石辐射探测器的研制与测试.兰州大学学报

4.侯青峰. 金刚石α、γ粒子辐射探测器关键技术研究.中北大学

5.苏凯等. 面向聚变中子探测的宽禁带半导体探测器关键问题与研究挑战.电子学报

（中国粉体网编辑整理/轻言）

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