半導體輻射探測材料與器件研究進展

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

(1.西北工業大學，輻射探測材料與器件工信部重點實驗室，西安 710072； 2.深圳中廣核工程設計有限公司，深圳 518124;3.西北工業大學深圳研究院，深圳 518063)

0 引 言

半導體輻射探測器通常也被稱為“固體電離室”。相比于氣體電離室探測器，半導體探測器的材料密度更高，對射線的阻止能力更強；半導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。相比于閃爍體探測器在輻射探測時需經過射線-可見光-載流子的兩步轉換，半導體探測器可以直接完成射線-載流子轉換，探測原理和探測器結構簡單，在輕量便攜以及高性能要求的場合更具優勢。目前半導體輻射探測器已在醫療影像檢測、核安全監測、環境輻射監測、工業無損檢測、宇宙科學和核科學研究等領域取得廣泛的應用。

1 輻射與物質的相互作用

輻射探測器通過探測射線與探測材料相互作用的產物實現射線探測，輻射探測領域主要關注的射線種類及其能量區間和物理本質總結如表1所示。

表1 輻射的主要類型、物質本質和能量區間Table 1 Main types of radiation and their physical essence together with energy range

1.1 α粒子和β射線

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

圖1 (a)α粒子數目隨吸收材料厚度的衰減情況；(b)β粒子數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射線通常是指物質原子受激發后，高能態電子回落到低能態放出的光子，主要由射線管產生；γ射線通常是指放射性同位素衰變產生的高能光子。X射線和γ射線與物質的相互作用主要包括光電效應、康普頓效應、電子對效應。光電效應是物質完全吸收入射光子能量并發射一個高能電子；康普頓效應可近似認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，光子被散射能量減小；電子對效應是指當入射光子能量大于2m0c2時，與物質相互作用產生正負電子對，正電子發生湮滅并從湮滅位置產生兩個出射方向相反的、能量均為511 keV的光子。圖2展示了各相互作用的原理，同時定性描述了各相互作用截面與射線能量和物質原子序數之間的關系。

圖2 X射線和γ射線與物質的相互作用[1]。(a)光電效應;(b)康普頓效應;(c)電子對產生效應;(d)材料原子序數和光子能量與射線與物質相互作用類型的關系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

中子主要與物質的原子核發生相互作用，包括彈性散射、非彈性散射、輻射俘獲、核反應等，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化為反沖核動能的過程；非彈性散射是指靶核吸收快中子形成復核，并釋放一個低能中子，靶核通過發射γ射線釋放能量回到基態的過程；輻射俘獲是指靶核俘獲一個中子形成激發態的復合核，復核釋放出一個或幾個γ光子回到基態的過程；核反應是指中子進入靶核后，與靶核結合形成激發態的復合核，復合核通過發射質子或α粒子退激的過程。

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

2 半導體輻射探測器的原理、性能和設計

2.1 半導體探測器的工作原理

半導體輻射探測器工作原理包括三部分，即輻射與探測介質相互作用產生載流子、載流子在半導體內的輸運、感應電荷脈沖形成。輻射與半導體相互作用的時間很短，通常在10-11s內即可完成并產生電子-空穴對，電子-空穴對數目正比于輻射在半導體中沉積的能量。在探測器外加偏壓的作用下，電子和空穴分別向探測器陰陽兩極移動，載流子漂移使探測系統電勢能發生變化，在電極上產生感應電荷。1938—1939年間Shockley和Ramo推導了帶電粒子在真空環境運動時系統電勢能的變化，提出了感應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，對于半導體探測器這樣存在空間電荷的情況，Shockley-Ramo公式依然成立。探測器某一電極的感應電荷量是電子和空穴感應電流在探測時間內的積分的和，由公式(1)確定：

(1)

式中：Ew(x)為陰極或陽極距離探測器陰極面x處的權重電場；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極和陰極所用時間；Q為探測器陰極或陽極的感應電荷量。

通常半導體探測器阻抗較高，輸出電荷脈沖振幅較小，最大僅為mV量級，信號易被干擾產生畸變，后端電路直接處理小信號的難度較大，故在探測器之后緊接一個前置放大器，用于小信號的初步放大，同時使探測器阻抗與后續電子學系統的阻抗相匹配，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，仍不便于后續電子學設備處理，且其脈沖衰減時間較長(時間常數在幾十到幾百μs左右)，在計數率較高的情況下極易發生脈沖堆積，因此需要通過主放大器進一步放大信號和脈沖成型。經主放大器輸出的信號，信號振幅達幾V量級，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的電子學噪聲。將主放輸出信號輸入多道脈沖幅度分析儀(multichannel analyzer, MCA)，MCA通過模數轉換器(analog to digital converter, ADC)測量主放脈沖信號振幅并比較分類計數，經過一定時間累積后，MCA各道址上分別記錄對應該道信號振幅的模擬脈沖個數，形成脈沖高度譜，也就是射線的能譜。半導體輻射探測器、前置放大器、主放大器以及多道分析儀的工作原理和結構示意圖如圖4所示。

圖4 半導體輻射探測器的工作原理及信號處理過程。(a)探測器產生感應信號;(b)前置放大器初步放大;(c)主放大器濾波成形進一步放大;(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 半導體材料對輻射探測性能的影響

半導體材料一經制備完成，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，二者與半導體輻射探測材料主要的性能參數如平均電離能、載流子遷移率壽命積、電阻率、能量響應區間等密切相關。

半導體材料的禁帶寬度對輻射探測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體內產生一個電子-空穴對所消耗的平均能量，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，相同能量射線產生電子-空穴對的數目多，能量的統計漲落小，理論上探測器的能量分辨率高。第二是電阻率，禁帶寬度大，本征熱激發小，本征載流子濃度小，材料電阻高，探測器漏電流小。當漏電流抖動超過一定閾值就會被探測器后端電子學系統處理，漏電流統計漲落噪聲占據電子學系統大部分的信號處理時間，降低了探測器對射線信號的探測能力，在能譜中貢獻低能區的計數。所以通常漏電流小，可減小探測器噪聲。第三是探測器的耐壓和最高工作溫度，禁帶寬度小的半導體材料對溫度和電壓變化較為敏感，需要在低溫低壓條件下工作，禁帶寬度大的半導體材料對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調節。第四是半導體輻射探測器的能量響應區間下限，禁帶寬度小，探測器能量響應區間的下限低，對低能射線的探測靈敏度高，禁帶寬度大，探測器能量響應區間的下限高，可以避免噪聲波動、可見光、各類相互作用中低能散射粒子信號對探測器的影響。第五是耐輻照特性，通常禁帶寬度大的材料耐輻照特性好，在強輻射場的環境下使用具有優勢。在實際應用中，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體材料。

半導體輻射探測器通常由單晶制備而成，線缺陷和點缺陷是主要缺陷類型。點缺陷主要包括空位、反位、間隙原子、摻雜原子以及各類點缺陷之間相互作用形成的缺陷復合體，各類點缺陷的存在使半導體材料周期性晶格勢場疊加了由他們引起的附加勢場，在禁帶中引入淺能級和(或)深能級，這些附加勢場對載流子有散射作用，同時也會使載流子發生復合、俘獲和去俘獲效應，影響載流子輸運性能，進而影響探測器的能譜性能。點缺陷對半導體輻射探測材料性能的影響主要有以下幾點：(1)多子和導電類型。通過調控摻雜原子種類和濃度可調控半導體的導電類型，定向地選擇遷移能力更優秀的載流子作為多子，利用強度高的多子信號提高探測器的靈敏度。(2)載流子遷移率。空位、反位、間隙原子等與材料晶格常數不匹配形成極性聲子，摻入的雜質原子電離后形成空間電荷，極性聲子和電離雜質經過庫侖散射作用阻礙載流子運動，降低載流子的遷移率，且缺陷濃度越高散射作用越強，載流子的遷移率越小，因此半導體探測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、渡越時間更短，電荷收集更完全。(3)非平衡載流子壽命。若點缺陷引入淺能級，由于淺能級對載流子的束縛能小，載流子的俘獲和去俘獲時間短，此時點缺陷對載流子壽命和探測器電荷收集的影響可以忽略不計，若點缺陷引入深能級，通常深能級對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”勢壘增強載流子的去俘獲效應。(4)電阻率。若點缺陷的存在引入淺能級，由于淺能級距離導帶或價帶很近，電離概率大，從而增加自由載流子濃度，使半導體電阻率降低。若點缺陷的存在引入深施主(受主)能級，由于深能級的俘獲截面大，則有可能“補償”淺受主(施主)能級帶來的載流子濃度增大、電阻率下降的影響，實現高電阻率。

半導體單晶中的線缺陷主要是位錯，位錯核內的懸掛鍵和位錯周圍的雜質原子會在禁帶中引入深能級復合中心，顯著降低載流子壽命。由于位錯處的懸掛鍵和雜質原子電活性較大，位錯也是漏電流的導電通道，位錯密度大會導致漏電流的增加。位錯周圍的電勢畸變也會導致載流子的散射，位錯密度大載流子遷移率的下降。因此半導體材料需要盡量減少位錯密度，減少載流子的復合和俘獲，降低探測器的漏電流，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體單晶生長過程中易生的缺陷，面缺陷具有較強的吸雜效應，其附近存在大量的電活性中心，導電能力較強，與晶體內部形成勢壘，阻礙載流子輸運，夾雜和沉淀附近位錯密度大，對載流子有較強的復合和俘獲效應，包含較多面缺陷和體缺陷的半導體探測器通常電荷收集效率低，能量分辨率和探測效率差，優化探測器的工作溫度和偏壓對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 半導體輻射探測器的設計要點

半導體探測器的設計主要包括三個階段：(1)明確探測的輻射類型、能量區間、相互作用類型、作用截面等物理參數，進行探測器材料的初選；(2)明確對探測材料性能的要求，包括載流子輸運性能、電阻率、工作溫度、工作穩定性和噪聲等，進行材料優選；(3)結合實際應用對探測器整體性能的要求，進一步完成包括探測器尺寸、排布、電極和輔助器件在內的系統結構設計。

能量分辨率、空間分辨率、時間分辨率、探測效率、系統噪聲等是在材料加工、器件制備和應用過程中應重點關注的探測器性能指標。能量分辨率是探測器對特征能量的識別能力，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、載流子在產生和收集過程中的統計起伏、探測器電容和放大電路產生的電子學噪聲相關。空間分辨率是能清晰分辨兩個射線作用位置或兩個物體的最小距離，包括角度分辨率和三維位置分辨率，探測器成像單元尺寸、探測器厚度、射線的入射方向、射線散射、電子云的漂移和擴散等是空間分辨率的主要影響因素。時間分辨率是指能夠清晰分辨兩個信號的最短時間，信號持續時間是時間分辨能力的主要影響因素。探測效率是表征探測器對入射射線利用率的指標，通常用源探測效率(與探測器對源所張立體角、探測器的阻止能力及全譜計數相關)或源峰探測效率(與探測器對源所張立體角、探測器的阻止能力及全能峰計數相關)表示[4]。系統噪聲是探測器、放大系統、電纜等電子元器件的固有噪聲，探測器噪聲具有高電平低頻特性，主要由探測器漏電流產生，使用高阻材料、鈍化側表、鍍保護環電極、使探測器和放大端阻容匹配、封裝探測器和前放、減小電纜長度是降低系統噪聲的主要方法。不同應用場景對半導體輻射探測器的性能要求、材料的遴選、探測器的設計要點不盡相同。

2.3.1 X射線探測器

X射線探測器主要應用于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光機產生的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。半導體X射線探測器設計主要考慮以下幾個方面：(1)原子序數。對X射線探測通常是利用光電效應，X射線探測材料的原子序數應根據圖2(d)，結合X射線能量區間選擇原子序數在光電效應截面和康普頓效應截面相等曲線上部的材料，探測硬X射線比軟X射線對半導體材料原子序數的要求高。(2)禁帶寬度。X射線探測器需要對射線能量敏感且能量的統計漲落要小，加之X射線的能量較低，故應選擇禁帶寬度和平均電離能較小的材料，提高探測器的本征能量分辨率，但需要考慮禁帶寬度小時電阻率低，熱激電流和噪聲增大可能使能量分辨率降低的影響，權衡能量分辨率、電阻率和工作溫度。(3)計數率和耐極化能力。X射線光通量大時，需選擇載流子遷移率壽命積高、電阻率大、深能級缺陷少的半導體材料，優選歐姆型接觸電極材料，避免探測器極化和信號堆疊，同時要求讀出電路也具有快速信號處理的能力。(4)半導體材料厚度和晶體成本。考慮射線能量、材料種類和探測器工況設計合適的探測器厚度，避免探測器過薄X射線能量沉積不完全或探測器過厚引起電荷收集不完全和材料浪費的情況，評估探測需求和材料成本，選擇高性價比的探測器系統設計方案。基于以上對半導體X射線探測材料和器件的性能要求，目前在X射線探測領域廣泛使用的半導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器SDD、硅微條帶探測器、非晶硒+TFT等。

2.3.2 伽馬射線探測器

γ射線探測器主要應用于核醫學成像、核安全監控、天文觀測、放射性礦床勘測等領域。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。半導體γ射線探測材料的選擇，主要考慮以下幾個方面：(1)原子序數。由圖2(d)可以看出，在γ射線的能量區間內，光子與物質主要發生光電效應、康普頓效應或電子對效應，各類相互作用截面均隨原子序數的增大而增加[4]，高原子序數元素的半導體輻射探測材料可以顯著提高探測器對γ射線的探測效率。(2)禁帶寬度和電阻率。γ射線探測對能量測定準確性要求較高，因此優選禁帶寬度大、電阻率高的材料，以減小體漏電流和熱噪聲，提高探測器的能量分辨率。(3)載流子遷移率壽命積，γ射線探測器的厚度大，因此半導體γ射線探測材料應具有高的μτ值，載流子在漂移過程中盡可能少的被復合和俘獲，使感應電荷收集更完全，提高探測器的能量分辨率。(4)晶體尺寸和晶體生長成本。γ射線的能量較高、穿透能力強，想要通過γ射線與物質的三種相互作用實現γ射線探測，均需要各類相互作用產生的次級粒子在探測材料中完全沉積能量，因此γ射線半導體輻射探測材料必須具備低成本、大尺寸、成熟的生長工藝。對于不同的應用場景，需要針對性地調整探測器的性能參數和加入特殊結構設計。例如：有射線源定位需求時，需使用具有位置分辨能力的電極結構設計，設計屏蔽、射線準直器件，使探測器具有優秀的空間分辨能力；在放射醫療等對輻照劑量有嚴格要求的應用中，探測器需具備高的靈敏度和探測效率，高原子序數、大晶體尺寸和大射線入射有效面積是關鍵；對于射線能量高、通量大的探測場合，探測器具有較大的禁帶寬度、抗輻照性能是關鍵；對于使用康普頓效應原理探測的探測器，從理論上講，高原子序數材料的探測效率高，但低原子序數材料發生康普頓效應的能量下限更小、能量范圍更寬，更適用于一般探測場景，因此需要綜合考慮射線能量范圍和探測材料對射線的“散射”和“吸收”作用，選擇探測材料相同或不同的多層探測器或單塊大尺寸探測器來實現射線探測和放射源位置重建的目的；使用電子對效應原理的探測系統對探測器排布的對稱性要求較高，γ射線探測器通常拼接為空間平面內的完整環形或正六邊形，依據性能需求綜合考慮探測器尺寸形狀、拼接方式、拼接直徑等問題。基于以上對半導體γ射線探測材料和器件的性能要求，目前在γ射線探測領域廣泛使用的半導體材料主要為CdTe、CdZnTe、高純鍺HPGe等，主要功能器件包括能譜儀、伽馬相機、康普頓相機、SPECT等。

2.3.3 α粒子探測器

α粒子探測主要應用于表面沾污儀、大氣氡含量測定、水質檢測等與環境輻射相關的測試場景，在鈾礦資源勘探、半衰期測定等方面也有一些應用。放射性同位素自然衰變產生的α粒子動能通常在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。半導體α粒子探測材料的選擇比X射線和γ射線探測材料的選擇靈活：(1)α粒子在材料中作用深度小，目前各類半導體晶體所能達到的厚度基本都能實現α粒子能量的完全沉積，α粒子探測器對材料厚度和原子序數的要求較低；(2)載流子遷移率壽命積，α粒子的電離密度高，為實現高的能量分辨，理論上半導體α射線探測材料應具有高的μτ值，但考慮到α粒子的作用深度小，器件厚度較薄，α粒子探測因此對材料μτ的要求也較低；(3)禁帶寬度和晶格穩定性，當α粒子的輻照劑量較高時，在半導體材料內部易產生局部損傷，形成缺陷團簇，因此對于高輻照劑量α粒子探測場合，需要寬禁帶寬度、高晶格穩定性的材料。除輻照劑量高的探測場景，α粒子探測對半導體探測材料性能要求不高，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粒子探測對探測系統結構要求較高：為減小α粒子的能量損失，α粒子探測盡可能在真空環境或小的源探距離下進行；電磁干擾、可見光、來自核素自身或宇宙的γ射線等往往會對α粒子測試造成干擾，可使用輕金屬做電磁和可見光的屏蔽殼，使用原子序數小的探測材料或信號甄別方法減小和剝離γ射線的干擾。在α粒子探測領域，半導體探測器選材主要考慮經濟性，應用最廣泛的是硅基探測器，探測器類型主要為金硅面壘型、鈍化注入平面硅PIPS探測器以及Si(Li)探測器，在高輻射劑量場中探測α粒子主要使用的是SiC探測器。

2.3.4 β射線探測器

β粒子探測主要應用于表面沾污儀、煙霧報警器、核素識別等領域。自然衰變產生的β射線能量通常不超過幾個MeV，β射線的最大能量與核素種類一一對應。半導體β射線探測材料的選擇主要考慮以下因素：(1)原子序數。β粒子質量小，與重元素相互作用易發生軔致輻射，因此優選原子序數小的半導體輻射探測材料。(2)密度和材料厚度。β粒子在物質中的數目衰減與探測材料厚度近似呈指數關系，衰減范圍與物質的密度呈反比，β射線在材料中的作用深度稍大于α粒子，因此β射線探測器優選密度大的材料，對材料厚度要求較低。(3)載流子遷移率壽命積。β射線探測的一個重要應用是根據β射線的最大能量進行核素識別[4]，需要統計β粒子數目隨厚度的變化規律，因此半導體β射線探測材料具有高的μτ，使得探測器具有快響應和高計數能力。β射線本質為電子和負電子，因此β射線探測對系統結構和相關材料的要求也比較高，源的托架和屏蔽殼應選擇鋁、玻璃、塑料、混凝土等低原子序數的材料，屏蔽腔要足夠大，以減少環境中軔致輻射產生的散射β射線的影響。核素在發射β射線時通常也伴隨著γ射線，需要依據β射線和γ射線在物質中的相互作用的特點加以鑒別。在β射線探測領域，金硅面壘型探測器和高純鍺探測器組成的ΔE-E輻射探測器應用最為廣泛。

2.3.5 中子探測器

中子探測器主要應用于大氣和地表媒介參數研究、微量痕量元素分析、快速無損檢測、油礦煤礦勘探等領域。核技術應用研究主要關注慢中子和快中子，對于更高能量的中子，通常使用氫慢化劑使中子減速再進行探測。中子探測一般是利用它與物質原子核發生相互作用產生的次級粒子，獲得穩態中子場中子注量率、能量等信息。慢中子探測主要通過測量中子與原子核反應后放出的能量較高的帶電粒子或γ射線實現，快中子探測主要通過探測反沖核電荷以及反沖核使物質電離和激發產生的載流子實現。半導體中子探測材料的選擇，主要考慮以下幾個方面：(1)中子與半導體中子轉換層材料的作用截面。中子在中子轉換層中與物質相互作用產生能被后續探測單元探測的次級粒子，這一層材料需要與中子有較大的反應截面，常常包含3He、6Li、10B以及Cd和Gd的同位素等，中子與物質反應的截面大小與中子能量也密切相關，轉換層材料成分和結構設計還需考慮中子場的能量特點，相比于α、X、γ射線與物質的作用截面，中子的作用截面較小，探測效率普遍較低。(2)次級粒子與次級粒子探測層材料的相互作用截面。次級粒子探測層主要探測在轉換層中產生的次級粒子，α粒子、高能質子及γ射線等均為可能的次級粒子，次級粒子探測器設計要點如上文所述。(3)n/γ分辨。中子反應常伴隨γ射線的產生及其與物質的相互作用，因此需要通過分析電離輻射的性質、沉積的能量、射線入射深度、信號上升時間等方法鑒別n/γ，例如使用薄中子轉換層和薄次級粒子探測層的雙層探測器，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，由此實現中子探測和γ射線屏蔽。基于以上對半導體中子探測材料和器件的性能要求，目前在中子探測領域廣泛使用的半導體材料主要為BN、6LiF、金剛石、碳化硅等。

器件設計是半導體在不同輻射探測場景中取得較優性能表現的關鍵，不僅對半導體材料提出要求，還需進行合理的探測器結構設計、電極結構設計等，在實際應用中，半導體輻射探測材料大多均遵循了這樣的器件設計要點。

3 典型的半導體輻射探測材料

3.1 ⅣA族

3.1.1 鍺基和硅基探測器

鍺、硅是應用最為廣泛的半導體材料，也是最早應用于輻射探測器的半導體材料。1949年到1956年，科學家們發現鍺二極管加反向偏壓可以實現α粒子的探測，且信號響應與α粒子能量是線性關系。在1960—1965年間，得益于高溫雜質擴散和電場驅動離子漂移技術，鋰漂移鍺探測器Ge(Li)問世，大尺寸Ge(Li)探測器具備高的能量線性，實現了對0.5～10 MeV的γ射線的探測。1965年前后，Borkowski和Kopp首次報道了HPGe探測器，Hall等[5]制備出了探測器級HPGe晶體和8 mm厚的HPGe探測器，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，FWHM@59.5 keV=0.9 keV、FWHM@1.3 MeV=2 keV，在核素識別、活度測量、射線分析等方面具有較好的性能表現。HPGe可生長大尺寸(4～6英寸)晶體，探測射線的能量范圍廣，HPGe探測器的結構類型豐富可滿足不同場景的應用需求，例如N型同軸型常用于反康普頓γ能譜測量，平面型通常用于軟X射線探測和同步輻射研究，井型通常用于小體積源井內測量的場景，HPGe探測器的常見構型如圖5所示。HPGe探測器的背景輻射極低、性能穩定，2000年以來，HPGe探測器在中微子質量測定、無中微子雙衰變實驗[6]、暗物質研究[7]等低本底測量領域也取得了應用。HPGe原子序數較低，光電效率較低，高分辨能譜中存在較高水平的康普頓平臺，但HPGe探測器仍是目前能量分辨率最高的半導體探測器，是輻射探測領域的金標準，在基礎研究、核安全監控等領域占有重要地位。

1958年金硅面壘二極管探測器和P-N結型硅探測器證明了硅具有輻射探測性能。20世紀70年代，鋰漂移技術成功應用于硅，Si(Li)探測器成為最主要的高分辨X射線探測器。20世紀80年代，二維平面技術[9-10]、點接觸電極[11]等技術應用于硅半導體探測器，微條帶探測器、雜化像素探測器、漂移探測器[12]、電荷耦合器件等位置靈敏型探測器也逐漸成為研究前沿，拓展了硅在射線成像和芯片領域的發展，其中硅漂移探測器的工作原理如圖6(a)所示。20世紀90年代以來硅光電探測器又發展出硅線性陣列探測器、硅APD陣列探測器、三位柱狀電極硅探測器、三維溝槽電極硅探測器等類型[13-17]。近十年來，基于硅微條拼接結構的深硅探測器迅速發展[18]，硅光子計數能譜探測系統的研發成為熱點，深硅探測器的結構示意圖如圖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]，隨著半導體溫差制冷技術的應用，硅基輻射探測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展使得硅探測器的室溫漏電流減小，Kemmer等[10]報道的經離子注入和表面鈍化處理后的硅探測器，FWHM@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工藝也基本成熟，硅探測器主要通過光電效應探測能量在30 eV～30 keV的X和γ射線以及作為康普頓效應中的散射層材料探測能量在幾百keV到幾MeV的γ射線。硅探測器是為數不多在帶電粒子探測、X射線成像、γ射線探測等領域均有較為成熟應用的材料。

圖5 HPGe探測器的常見構型[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)硅漂移探測器的工作原理[12]，電子在探測器中心平面內運動，在末端的零電勢陽極被收集，空穴垂直于電極運動 被電極收集;(b)深硅探測器示意圖[18]，探測器共有800個探測器元件和5個具有光子計數和能量鑒別功能的ASIC， 白線為探測器元件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器

金剛石和SiC是典型的寬禁帶半導體，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產額低、探測器熱噪聲小、暗電流水平低，信噪比很高，在惡劣的高溫環境下仍具有較高的能量分辨率。金剛石和SiC共價鍵結合強度高，抗腐蝕性能優異，在高能核物理反應中的級聯過程和多重散射效應弱，抗輻照性能強，且機械強度高，在震動和顛簸環境中晶體不易碎裂。此外，金剛石的原子序數低，對X射線和γ射線的光電探測效率低，但金剛石的康普頓散射截面在較寬能量區間內相較其他相互作用的截面大，也常被用作多層康普頓相機中的散射層材料。金剛石探測器的飽和電場高，載流子漂移速度很快，非平衡載流子渡越時間短，寬禁帶的金剛石探測器具有亞納秒級的時間分辨率[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氣相沉積在金剛石晶體生長過程中摻入6Li、10B等元素,SiC可在表面制備一層6LiF形成結型器件實現對低能中子的探測。目前4英寸SiC晶體生長技術已經趨于成熟，50～100 mm金剛石的生長工藝也不斷進步，金剛石和SiC在極度高溫、存在化學腐蝕以及高輻射劑量的中子和帶電粒子探測應用中具有不可替代的地位。

3.2 ⅢA-ⅤA族

3.2.1 砷化鎵探測器

用GaAs單晶作為核輻射探測器材料已有五六十年的歷史，目前已成功生長出6英寸的單晶。GaAs是直接帶隙半導體，禁帶寬度為1.43 eV，研究者在1960年證實了n型和p型高阻GaAs可作粒子計數器，這是關于室溫輻射探測器的首次報道。1970年，Eberhardt等[21]將高純度n型GaAs作為基片制成可在77～373 K的溫度范圍內工作的結型α粒子和γ射線探測器。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。1992年，Benz等[23]首次用GaAs探測器在室溫下觀測到20 keV的X射線，拓展了GaAs探測器在低能射線光譜學領域的應用[24-25]。21世紀以來，Cr補償GaAs電阻型、表面勢壘型和PIN型等結構的GaAs輻射探測器相繼發展，實現在較廣的溫度區間內(130～393 K)α粒子能譜探測，并將X、γ射線的能量響應范圍拓展到2～100 keV，Amendolia等[26]依托CERN的技術支持開展GaAs乳房X射線成像設備的研制，他們設計的成像模塊如圖7(a)所示。在GaAs晶體表面蒸一層10B、6LiF等也可實現快速高效的中子和次級粒子的探測[27-28]，GaAs熱中子探測器的探測原理如圖7(b)所示。

圖7 (a)GaAs像素探測器乳房X射線成像模塊[26];(b)GaAs肖特基勢壘熱中子探測器[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與金剛石相當，電子和空穴遷移率壽命積相近，化學性能穩定，在極端環境輻射探測領域也極具優勢。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材料。

InSb具有高原子序數、高密度、低禁帶寬度、低電阻率的特點，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，但受限于探測器制備技術，InSb探測器的耗盡層厚度小，常用僅可在低溫下探測Pb、U等重元素發射出的能量在20 keV以下的L層特征X射線以及Y、Zr等中等質量元素的K層特征X射線，在原子和原子核的精細能級分析方面有巨大的應用潛力。將InSb探測器放置于充滿3He氣體的容器內，InSb探測器可通過探測3He與熱中子相互作用產生的低能光子和氚核實現熱中子探測。

3.3 ⅡB-ⅥA族

3.3.1 碲化鎘、碲鋅鎘和碲錳鎘探測器

CdTe是直接帶隙半導體材料，禁帶寬度約為1.44 eV，適宜在室溫下工作。原子序數高，對X射線和γ射線的阻止能力強、本征探測效率高。電阻率較高，工作漏電流較小，CdTe探測器在室溫輻射探測領域占有重要地位。CdTe探測器通常為結型結構，工作一段時間后會產生極化效應，載流子在探測器內逐漸積累形成空間電荷區，產生內建電場削弱外加電場，使探測性能惡化。

1984年，Bell等[29]用大面積Cd0.96Zn0.04Te單晶代替CdTe作HgCdTe的外延生長襯底，發現生長出的HgCdTe缺陷密度很低，可滿足高性能紅外探測器陣列的要求。CdZnTe是由CdTe和ZnTe固溶形成的三元化合物，輻射探測領域使用較多的碲鋅鎘為Cd0.9Zn0.1Te。1992年，Doty等[30]證明了CdZnTe對γ射線的探測能力，1993年，具有臨床實用價值的碲鋅鎘腦部單光子發射計算機斷層成像設備[31-32]問世，標志著核醫學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結構的p-HgCdTe、CdZnTe、n-HgCdTe疊層探測器，實現了高能量分辨、寬能量范圍的γ射線探測。西北工業大學介萬奇教授課題組[35]成功生長出4英寸的CdZnTe單晶，孵化了陜西迪泰克新材料有限公司，并對CdZnTe的高阻機制、器件性能調控、輻照損傷、外延單晶生長進行了深入研究[36-40]。CdZnTe是目前國際公認的綜合性能較好[41]、發展前景廣闊的半導體輻射探測與成像材料，其主要優勢在于[42]：原子序數大，對射線的阻止能力強、本征探測效率高、探測器體積小；禁帶寬度為1.57 eV，適宜在室溫下工作，無需制冷，器件結構緊湊，平均電離能小，信號統計漲落小，能量分辨率和信噪比高；化學穩定性好，對濕度不敏感；探測器級CdZnTe電阻率通常在1010Ω·cm以上[43]，比CdTe的電阻率高一個量級，CdZnTe探測器工作漏電流小，器件結構可以直接采用歐姆型，無極化現象；CdZnTe的電子輸運性能優于CdTe，而CdZnTe的空穴輸運性能相較CdTe略差，常伴有空穴拖尾的問題，CdZnTe探測器通常采用單極性電極結構設計方案[44-46]，提高電子在感應信號中的權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射線探測和成像領域極具優勢，基于CdZnTe的CT、伽馬相機、康普頓相機、心臟專用SPECT、腦部專用SPECT、PET等高端工業和醫療設備[35,47-53]成為研發和應用的熱點，CdZnTe在輻射檢測、核醫學放射成像、安檢、工業無損檢測等領域發揮著重要作用，圖8展示了CdZnTe晶體以及部分國際先進的CdZnTe核醫學和工業設備。

圖8 CdZnTe晶體和基于CdZnTe開發的核醫學和工業設備。(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，也是直接帶隙半導體材料，Cd1-xMnxTe中化學鍵的離子性強，易形成六方晶型和閃鋅礦結構孿晶。CdMnTe材料生長態電阻率低，僅有105～106Ω·cm，經過In摻雜后，CdMnTe的電阻率可達1010Ω·cm量級，可以有效降低器件工作漏電流，具有較好的X射線、γ射線探測性能。

3.3.2 非晶硒探測器

非晶硒的熔點為210 ℃，飽和蒸氣壓高，易揮發，可通過真空熱蒸鍍技術經濟地制備均勻、大面積1 000 μm厚膜。硒的原子序數為32，由圖2(d)可知其對X射線的光電吸收效率高。其禁帶寬度在2～2.3 eV范圍內，可在室溫下工作，但非晶硒在40～60 ℃會發生晶化，在使用過程中需要控制溫度。非晶硒電阻率較高，材料介電常數小，探測器暗電流小。在非晶硒探測器中，電荷傳輸在室溫下是非分散的，非晶硒在電場強度大于10 V/μm情況下表現出優秀的X射線光電導性，且暗電流和熱噪聲很小，當電場強度進一步提高到70～80 V/μm的情況下，非晶硒探測器內部發生雪崩效應，顯著提高光電轉換增益，非晶硒有望被開發成為超高靈敏度的高增益雪崩沖擊光電導體[54]。將非晶硒和薄膜晶體管TFT結合開發出的平面X射線成像系統(FPXI)已在乳房X線成像領域被廣泛研究和應用[55]，非晶硒平板探測器像素結構和非晶硒模塊如圖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 電導層與外圍電子設備[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，在強電場條件下易發生離子遷移形成內建電場，使器件結構和性能產生不可逆的惡化。鈣鈦礦晶體通常同時具有很好的光學特性，可以選擇半導體工作模式或閃爍體工作模式進行輻射探測。2014年，Hoke等[56]使用無鉛、原子序數高、離子遷移抑制能力強、熱穩定性和濕度穩定性較好的Cs2AgBiBr6單晶實現X射線探測。2015年，Que等[57]報道了用MAPbI3探測X射線，器件靈敏度和探測效率高，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到了伽馬射線。2018年，Chen等[59]制備出柔性、高靈敏度、低檢測下限的全無機鈣鈦礦X射線閃爍體探測器。鈣鈦礦成本低廉、制備工藝簡單，通過制備工藝和成分優化，目前鈣鈦礦的探測極限、靈敏度、能量分辨率等性能整體提高，但作為半導體探測器使用時，其離子遷移問題仍未得到很好的解決，未來有望在柔性X射線成像領域有較大應用潛力。

3.4.2 溴化鉈和含碘半導體探測器

TlBr具有高的原子序數、密度和電阻率，對射線有很強的阻止能力，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晶體在室溫下連續工作幾個小時后，Tl+和Br-會發生離子遷移，探測器出現較為嚴重的極化效應；TlBr質軟且兩種單質元素均有劇毒，晶體生長過程存在較大安全隱患，器件制備和使用也多有不便。TlBr對低于463 nm的波長范圍內的光子表現出高的量子效率，除可以直接探測高能射線，還可作為GSO和LSO閃爍輻射探測譜儀中的光探測器。

HgI2、PbI2、BiI3均具有原子序數高、密度高以及禁帶寬度較大的特點，三者均具有層狀結構，層間靠范德華力相接，結合力較弱，載流子輸運性能差，晶體長大普遍困難。HgI2在從熔點降溫的過程中會發生晶型轉變，在器件工作過程中還會產生穩定極化效應，PbI2和BiI3則不會產生破壞性的相結構，鑒于BiI3在核輻射探測的研究尚未獲得結果，PbI2被認為是HgI2的一種穩定替代物。HgI2探測器目前在X射線、低能γ射線、α粒子以及熱中子探測領域取得一些進展，PbI2探測器目前僅在室溫探測X射線、低能γ射線探測領域有一些初步實驗結果。

TlBr、HgI2、PbI2和BiI3在輻射探測領域均取得一定的研究結果，但受限于材料成分和晶體特性，存在晶體不穩定、載流子遷移能力差、毒性、極化等難以解決的問題，限制了其進一步的發展。此外InP、Bi2S3、AlSb、TlPbI3、GaSe等諸多材料均表現出一定的輻射探測性能，但材料屬性決定了這些材料在其他領域具有更廣闊的應用，在此不進一步贅述，常見半導體輻射探測材料的性能參數如表2所示。

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

4 半導體輻射探測器的發展

盡管半導體輻射探測器的開發和應用已經初具規模，但距離大批量商業化應用還有較長的路，在材料、器件和系統集成方面還存在一些需要大力發展的方向。

(1)半導體輻射探測材料的制備和處理。突破大尺寸、高質量、低成本半導體單晶體生長技術，完善和豐富材料處理工藝。晶體尺寸和晶體質量是探測器能量分辨率、探測能量范圍、探測效率的決定性因素，材料處理工藝是探測器更好發揮探測性能的關鍵步驟，制備成本是各類材料取得廣泛應用的重要經濟指標。目前報道的半導體輻射探測材料，僅Si和Ge擁有成熟度高、成本低的單晶生長和加工工藝，大部分材料均面臨著高質量晶體生長和處理工藝的制約，如CdTe、InSb、TlBr等晶體尺寸較小，CdMnTe、鈣鈦礦、HgI2、PbI2、BiI3等普遍存在結晶質量較低、晶體穩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成本較高，在一定程度上限制了上述材料在輻射探測中發揮其性能優勢。高質量晶體制備和處理是半導體輻射探測材料取得廣泛應用要解決的最根本和最重要的問題。

(2)半導體輻射探測器的設計與制備。建立完備的處理工藝方法庫、器件設計和質量評價體系，明確輻射探測系統整體性能優化原理。例如：對于GaAs、CdZnTe、CdTe等電子輸運性能遠優于空穴的半導體材料，通常使用單極性電極設計方法，通過探測器權重勢優化感應信號的收集，提高探測器的能量分辨能力；對于利用康普頓效應探測γ射線的康普頓相機，重點考慮探測器由原子序數小的散射層(如Si(Li)、SiC、金剛石)和原子序數高的吸收層(如CdTe、CdZnTe)構成還是單塊大尺寸晶體(如CdZnTe)構成；當基于半導體探測器深度開發具有一定特征功能的SPECT、PET等設備時，需要進一步考慮射線作用原理和應用需求，明確探測材料的選擇、探測器封裝、源探關系、探測器尺寸形狀和排布、探測器電極結構、射線準直器和屏蔽層、探測器工作條件等環節對探測器性能的影響，優化輻射探測器件結構設計。

(3)輻射探測與成像系統集成與應用開發。一方面深刻理解各輻射探測領域對輻射探測器的應用需求，面向有輻射探測需求的各領域開發定制化、成本合理、技術指標符合預期的輻射探測設備。另一方面加強探測器信號分析和信息獲取能力，開展能譜解析算法、光場耦合算法、圖像重建算法、運動成像算法、多視角耦合成像算法研究，進一步結合人工神經網絡、機器學習等大數據分析方法，解決傳統分析方法在大數據、復雜能譜情況下難以計算和處理的問題，提高半導體探測器的探測和結果分析效率，拓展半導體探測器應用深度和廣度。