半导体辐射探测材料与器件研究进展

武 蕊，范东海，康 阳，万 鑫，郭 晨，魏登科， 陈冬雷，王 涛，3，查钢强，3

(1.西北工业大学，辐射探测材料与器件工信部重点实验室，西安 710072； 2.深圳中广核工程设计有限公司，深圳 518124;3.西北工业大学深圳研究院，深圳 518063)

0 引 言

半导体辐射探测器通常也被称为“固体电离室”。相比于气体电离室探测器，半导体探测器的材料密度更高，对射线的阻止能力更强；半导体中载流子的平均电离能仅为气体的1/10，因而具有更高的能量分辨率。相比于闪烁体探测器在辐射探测时需经过射线-可见光-载流子的两步转换，半导体探测器可以直接完成射线-载流子转换，探测原理和探测器结构简单，在轻量便携以及高性能要求的场合更具优势。目前半导体辐射探测器已在医疗影像检测、核安全监测、环境辐射监测、工业无损检测、宇宙科学和核科学研究等领域取得广泛的应用。

1 辐射与物质的相互作用

辐射探测器通过探测射线与探测材料相互作用的产物实现射线探测，辐射探测领域主要关注的射线种类及其能量区间和物理本质总结如表1所示。

表1 辐射的主要类型、物质本质和能量区间Table 1 Main types of radiation and their physical essence together with energy range

1.1 α粒子和β射线

α粒子是剥离掉两个电子、带正电的氦核，α粒子能量较高时主要与壳层电子相互作用；能量较低时主要与物质核发生卢瑟福散射，在辐射探测中前者应用较多，α粒子具有特征能量。β射线与物质相互作用主要通过非弹性电子碰撞和轫致辐射进行，通过电子碰撞的能量损失是β射线能谱学中主要关注的物理过程，β射线的能量分布是连续的。α粒子和β粒子在材料中的数目衰减规律如图1所示，α粒子在材料厚度接近其作用深度时粒子数目迅速减小，β粒子在物质中的数目衰减则是逐渐进行的。

图1 (a)α粒子数目随吸收材料厚度的衰减情况；(b)β粒子数目随吸收材料厚度的衰减情况[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射线和γ射线

X射线通常是指物质原子受激发后，高能态电子回落到低能态放出的光子，主要由射线管产生；γ射线通常是指放射性同位素衰变产生的高能光子。X射线和γ射线与物质的相互作用主要包括光电效应、康普顿效应、电子对效应。光电效应是物质完全吸收入射光子能量并发射一个高能电子；康普顿效应可近似认为是光子和自由电子之间的碰撞，光子将部分能量交给原子的外层电子形成反冲电子，光子被散射能量减小；电子对效应是指当入射光子能量大于2m0c2时，与物质相互作用产生正负电子对，正电子发生湮灭并从湮灭位置产生两个出射方向相反的、能量均为511 keV的光子。图2展示了各相互作用的原理，同时定性描述了各相互作用截面与射线能量和物质原子序数之间的关系。

图2 X射线和γ射线与物质的相互作用[1]。(a)光电效应;(b)康普顿效应;(c)电子对产生效应;(d)材料原子序数和光子能量与射线与物质相互作用类型的关系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

中子主要与物质的原子核发生相互作用，包括弹性散射、非弹性散射、辐射俘获、核反应等，如图3所示。弹性散射是指中子与原子核碰撞之后，中子损失的能量全部转化为反冲核动能的过程；非弹性散射是指靶核吸收快中子形成复核，并释放一个低能中子，靶核通过发射γ射线释放能量回到基态的过程；辐射俘获是指靶核俘获一个中子形成激发态的复合核，复核释放出一个或几个γ光子回到基态的过程；核反应是指中子进入靶核后，与靶核结合形成激发态的复合核，复合核通过发射质子或α粒子退激的过程。

图3 中子与物质的相互作用。(a)弹性散射;(b)非弹性散射;(c)辐射俘获效应;(d)核反应Fig.3 Interaction of neutrons and materials. (a) Elastic scattering; (b) inelastic scattering; (c) radiation trapping effect; (d) nuclear reaction

2 半导体辐射探测器的原理、性能和设计

2.1 半导体探测器的工作原理

半导体辐射探测器工作原理包括三部分，即辐射与探测介质相互作用产生载流子、载流子在半导体内的输运、感应电荷脉冲形成。辐射与半导体相互作用的时间很短，通常在10-11s内即可完成并产生电子-空穴对，电子-空穴对数目正比于辐射在半导体中沉积的能量。在探测器外加偏压的作用下，电子和空穴分别向探测器阴阳两极移动，载流子漂移使探测系统电势能发生变化，在电极上产生感应电荷。1938—1939年间Shockley和Ramo推导了带电粒子在真空环境运动时系统电势能的变化，提出了感应电荷量理论和著名的Shockley-Ramo公式。随后任之恭[2]和Cavalleri等[3]证明，对于半导体探测器这样存在空间电荷的情况，Shockley-Ramo公式依然成立。探测器某一电极的感应电荷量是电子和空穴感应电流在探测时间内的积分的和，由公式(1)确定：

(1)

式中：Ew(x)为阴极或阳极距离探测器阴极面x处的权重电场；ve和vh分别为电子和空穴的漂移速度；qe和qh分别为电子和空穴的电荷量；te和th分别为电子和空穴从作用位置漂移到阳极和阴极所用时间；Q为探测器阴极或阳极的感应电荷量。

通常半导体探测器阻抗较高，输出电荷脉冲振幅较小，最大仅为mV量级，信号易被干扰产生畸变，后端电路直接处理小信号的难度较大，故在探测器之后紧接一个前置放大器，用于小信号的初步放大，同时使探测器阻抗与后续电子学系统的阻抗相匹配，以减小电荷在电缆中传输引入额外的噪声。前置放大器通常具有良好的线性，即放大处理后，输出电压脉冲的高度与输入端探测器电荷量成正比，但前置放大器的输出电压脉冲幅度仍然较小，仍不便于后续电子学设备处理，且其脉冲衰减时间较长(时间常数在几十到几百μs左右)，在计数率较高的情况下极易发生脉冲堆积，因此需要通过主放大器进一步放大信号和脉冲成型。经主放大器输出的信号，信号振幅达几V量级，且仍正比于电荷脉冲振幅，也就是射线能量，此外主放电路还可消除大部分如电源线频率在内的电子学噪声。将主放输出信号输入多道脉冲幅度分析仪(multichannel analyzer, MCA)，MCA通过模数转换器(analog to digital converter, ADC)测量主放脉冲信号振幅并比较分类计数，经过一定时间累积后，MCA各道址上分别记录对应该道信号振幅的模拟脉冲个数，形成脉冲高度谱，也就是射线的能谱。半导体辐射探测器、前置放大器、主放大器以及多道分析仪的工作原理和结构示意图如图4所示。

图4 半导体辐射探测器的工作原理及信号处理过程。(a)探测器产生感应信号;(b)前置放大器初步放大;(c)主放大器滤波成形进一步放大;(d)多道脉冲分析仪分道处理形成能谱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 半导体材料对辐射探测性能的影响

半导体材料一经制备完成，其禁带宽度、晶体的缺陷类型、缺陷浓度就被确定下来。禁带宽度是半导体材料的物理属性，晶体缺陷主要由原料纯度、掺杂浓度和制备工艺决定，二者与半导体辐射探测材料主要的性能参数如平均电离能、载流子迁移率寿命积、电阻率、能量响应区间等密切相关。

半导体材料的禁带宽度对辐射探测的诸多性能均有较大影响。首先是平均电离能，即射线电离作用在半导体内产生一个电子-空穴对所消耗的平均能量，通常平均电离能约为禁带宽度的3倍，禁带宽度越小，平均电离能小，相同能量射线产生电子-空穴对的数目多，能量的统计涨落小，理论上探测器的能量分辨率高。第二是电阻率，禁带宽度大，本征热激发小，本征载流子浓度小，材料电阻高，探测器漏电流小。当漏电流抖动超过一定阈值就会被探测器后端电子学系统处理，漏电流统计涨落噪声占据电子学系统大部分的信号处理时间，降低了探测器对射线信号的探测能力，在能谱中贡献低能区的计数。所以通常漏电流小，可减小探测器噪声。第三是探测器的耐压和最高工作温度，禁带宽度小的半导体材料对温度和电压变化较为敏感，需要在低温低压条件下工作，禁带宽度大的半导体材料对温度和电压变化不敏感，外加偏压和工作温度可在较大范围内调节。第四是半导体辐射探测器的能量响应区间下限，禁带宽度小，探测器能量响应区间的下限低，对低能射线的探测灵敏度高，禁带宽度大，探测器能量响应区间的下限高，可以避免噪声波动、可见光、各类相互作用中低能散射粒子信号对探测器的影响。第五是耐辐照特性，通常禁带宽度大的材料耐辐照特性好，在强辐射场的环境下使用具有优势。在实际应用中，需要综合考虑电阻率、工作温度、外加偏压、噪声水平、探测能量范围、能量分辨率、抗辐照损伤等性能需求，选择禁带宽度合适的半导体材料。

半导体辐射探测器通常由单晶制备而成，线缺陷和点缺陷是主要缺陷类型。点缺陷主要包括空位、反位、间隙原子、掺杂原子以及各类点缺陷之间相互作用形成的缺陷复合体，各类点缺陷的存在使半导体材料周期性晶格势场叠加了由他们引起的附加势场，在禁带中引入浅能级和(或)深能级，这些附加势场对载流子有散射作用，同时也会使载流子发生复合、俘获和去俘获效应，影响载流子输运性能，进而影响探测器的能谱性能。点缺陷对半导体辐射探测材料性能的影响主要有以下几点：(1)多子和导电类型。通过调控掺杂原子种类和浓度可调控半导体的导电类型，定向地选择迁移能力更优秀的载流子作为多子，利用强度高的多子信号提高探测器的灵敏度。(2)载流子迁移率。空位、反位、间隙原子等与材料晶格常数不匹配形成极性声子，掺入的杂质原子电离后形成空间电荷，极性声子和电离杂质经过库仑散射作用阻碍载流子运动，降低载流子的迁移率，且缺陷浓度越高散射作用越强，载流子的迁移率越小，因此半导体探测器中常通过控制掺杂浓度减小晶格失配和电离散射，降低缺陷浓度以获得高的载流子迁移率，使载流子的漂移速度更快、渡越时间更短，电荷收集更完全。(3)非平衡载流子寿命。若点缺陷引入浅能级，由于浅能级对载流子的束缚能小，载流子的俘获和去俘获时间短，此时点缺陷对载流子寿命和探测器电荷收集的影响可以忽略不计，若点缺陷引入深能级，通常深能级对载流子俘获截面大且束缚能大，载流子易被俘获且去俘获困难，因此会使载流子寿命大大降低，以致电荷收集不完全。通常可提高工作偏压，提高载流子漂移速度，以避免载流子俘获和降低“陷阱”势垒增强载流子的去俘获效应。(4)电阻率。若点缺陷的存在引入浅能级，由于浅能级距离导带或价带很近，电离概率大，从而增加自由载流子浓度，使半导体电阻率降低。若点缺陷的存在引入深施主(受主)能级，由于深能级的俘获截面大，则有可能“补偿”浅受主(施主)能级带来的载流子浓度增大、电阻率下降的影响，实现高电阻率。

半导体单晶中的线缺陷主要是位错，位错核内的悬挂键和位错周围的杂质原子会在禁带中引入深能级复合中心，显著降低载流子寿命。由于位错处的悬挂键和杂质原子电活性较大，位错也是漏电流的导电通道，位错密度大会导致漏电流的增加。位错周围的电势畸变也会导致载流子的散射，位错密度大载流子迁移率的下降。因此半导体材料需要尽量减少位错密度，减少载流子的复合和俘获，降低探测器的漏电流，提高载流子的迁移率。

晶界、孪晶界等面缺陷以及夹杂、沉淀等体缺陷也是半导体单晶生长过程中易生的缺陷，面缺陷具有较强的吸杂效应，其附近存在大量的电活性中心，导电能力较强，与晶体内部形成势垒，阻碍载流子输运，夹杂和沉淀附近位错密度大，对载流子有较强的复合和俘获效应，包含较多面缺陷和体缺陷的半导体探测器通常电荷收集效率低，能量分辨率和探测效率差，优化探测器的工作温度和偏压对器件性能的提升非常有限，因此要尽量选择面缺陷和体缺陷少或不含面缺陷和体缺陷的晶体。

2.3 半导体辐射探测器的设计要点

半导体探测器的设计主要包括三个阶段：(1)明确探测的辐射类型、能量区间、相互作用类型、作用截面等物理参数，进行探测器材料的初选；(2)明确对探测材料性能的要求，包括载流子输运性能、电阻率、工作温度、工作稳定性和噪声等，进行材料优选；(3)结合实际应用对探测器整体性能的要求，进一步完成包括探测器尺寸、排布、电极和辅助器件在内的系统结构设计。

能量分辨率、空间分辨率、时间分辨率、探测效率、系统噪声等是在材料加工、器件制备和应用过程中应重点关注的探测器性能指标。能量分辨率是探测器对特征能量的识别能力，通常用特征能量的半高宽或半高宽与特征能量的百分比表示，能量分辨率主要与射线能量、载流子在产生和收集过程中的统计起伏、探测器电容和放大电路产生的电子学噪声相关。空间分辨率是能清晰分辨两个射线作用位置或两个物体的最小距离，包括角度分辨率和三维位置分辨率，探测器成像单元尺寸、探测器厚度、射线的入射方向、射线散射、电子云的漂移和扩散等是空间分辨率的主要影响因素。时间分辨率是指能够清晰分辨两个信号的最短时间，信号持续时间是时间分辨能力的主要影响因素。探测效率是表征探测器对入射射线利用率的指标，通常用源探测效率(与探测器对源所张立体角、探测器的阻止能力及全谱计数相关)或源峰探测效率(与探测器对源所张立体角、探测器的阻止能力及全能峰计数相关)表示[4]。系统噪声是探测器、放大系统、电缆等电子元器件的固有噪声，探测器噪声具有高电平低频特性，主要由探测器漏电流产生，使用高阻材料、钝化侧表、镀保护环电极、使探测器和放大端阻容匹配、封装探测器和前放、减小电缆长度是降低系统噪声的主要方法。不同应用场景对半导体辐射探测器的性能要求、材料的遴选、探测器的设计要点不尽相同。

2.3.1 X射线探测器

X射线探测器主要应用于X射线衍射分析、X射线荧光光谱分析、X射线透射形貌分析等。由X光机产生的X射线光通量大、射线能量通常<300 keV，由原子退激辐射出的特征X射线通量小，能量通常在几百eV到150 keV。半导体X射线探测器设计主要考虑以下几个方面：(1)原子序数。对X射线探测通常是利用光电效应，X射线探测材料的原子序数应根据图2(d)，结合X射线能量区间选择原子序数在光电效应截面和康普顿效应截面相等曲线上部的材料，探测硬X射线比软X射线对半导体材料原子序数的要求高。(2)禁带宽度。X射线探测器需要对射线能量敏感且能量的统计涨落要小，加之X射线的能量较低，故应选择禁带宽度和平均电离能较小的材料，提高探测器的本征能量分辨率，但需要考虑禁带宽度小时电阻率低，热激电流和噪声增大可能使能量分辨率降低的影响，权衡能量分辨率、电阻率和工作温度。(3)计数率和耐极化能力。X射线光通量大时，需选择载流子迁移率寿命积高、电阻率大、深能级缺陷少的半导体材料，优选欧姆型接触电极材料，避免探测器极化和信号堆叠，同时要求读出电路也具有快速信号处理的能力。(4)半导体材料厚度和晶体成本。考虑射线能量、材料种类和探测器工况设计合适的探测器厚度，避免探测器过薄X射线能量沉积不完全或探测器过厚引起电荷收集不完全和材料浪费的情况，评估探测需求和材料成本，选择高性价比的探测器系统设计方案。基于以上对半导体X射线探测材料和器件的性能要求，目前在X射线探测领域广泛使用的半导体材料主要为硅基材料和非晶硒，主要功能器件包括硅漂移探测器SDD、硅微条带探测器、非晶硒+TFT等。

2.3.2 伽马射线探测器

γ射线探测器主要应用于核医学成像、核安全监控、天文观测、放射性矿床勘测等领域。天然核素衰变辐射出的γ射线能量在几keV到10 MeV之间，γ射线的照射量率由放射性同位素的活度和分支比共同决定。半导体γ射线探测材料的选择，主要考虑以下几个方面：(1)原子序数。由图2(d)可以看出，在γ射线的能量区间内，光子与物质主要发生光电效应、康普顿效应或电子对效应，各类相互作用截面均随原子序数的增大而增加[4]，高原子序数元素的半导体辐射探测材料可以显著提高探测器对γ射线的探测效率。(2)禁带宽度和电阻率。γ射线探测对能量测定准确性要求较高，因此优选禁带宽度大、电阻率高的材料，以减小体漏电流和热噪声，提高探测器的能量分辨率。(3)载流子迁移率寿命积，γ射线探测器的厚度大，因此半导体γ射线探测材料应具有高的μτ值，载流子在漂移过程中尽可能少的被复合和俘获，使感应电荷收集更完全，提高探测器的能量分辨率。(4)晶体尺寸和晶体生长成本。γ射线的能量较高、穿透能力强，想要通过γ射线与物质的三种相互作用实现γ射线探测，均需要各类相互作用产生的次级粒子在探测材料中完全沉积能量，因此γ射线半导体辐射探测材料必须具备低成本、大尺寸、成熟的生长工艺。对于不同的应用场景，需要针对性地调整探测器的性能参数和加入特殊结构设计。例如：有射线源定位需求时，需使用具有位置分辨能力的电极结构设计，设计屏蔽、射线准直器件，使探测器具有优秀的空间分辨能力；在放射医疗等对辐照剂量有严格要求的应用中，探测器需具备高的灵敏度和探测效率，高原子序数、大晶体尺寸和大射线入射有效面积是关键；对于射线能量高、通量大的探测场合，探测器具有较大的禁带宽度、抗辐照性能是关键；对于使用康普顿效应原理探测的探测器，从理论上讲，高原子序数材料的探测效率高，但低原子序数材料发生康普顿效应的能量下限更小、能量范围更宽，更适用于一般探测场景，因此需要综合考虑射线能量范围和探测材料对射线的“散射”和“吸收”作用，选择探测材料相同或不同的多层探测器或单块大尺寸探测器来实现射线探测和放射源位置重建的目的；使用电子对效应原理的探测系统对探测器排布的对称性要求较高，γ射线探测器通常拼接为空间平面内的完整环形或正六边形，依据性能需求综合考虑探测器尺寸形状、拼接方式、拼接直径等问题。基于以上对半导体γ射线探测材料和器件的性能要求，目前在γ射线探测领域广泛使用的半导体材料主要为CdTe、CdZnTe、高纯锗HPGe等，主要功能器件包括能谱仪、伽马相机、康普顿相机、SPECT等。

2.3.3 α粒子探测器

α粒子探测主要应用于表面沾污仪、大气氡含量测定、水质检测等与环境辐射相关的测试场景，在铀矿资源勘探、半衰期测定等方面也有一些应用。放射性同位素自然衰变产生的α粒子动能通常在4～9 MeV之间，照射量率由放射性同位素的活度和分支比共同决定。半导体α粒子探测材料的选择比X射线和γ射线探测材料的选择灵活：(1)α粒子在材料中作用深度小，目前各类半导体晶体所能达到的厚度基本都能实现α粒子能量的完全沉积，α粒子探测器对材料厚度和原子序数的要求较低；(2)载流子迁移率寿命积，α粒子的电离密度高，为实现高的能量分辨，理论上半导体α射线探测材料应具有高的μτ值，但考虑到α粒子的作用深度小，器件厚度较薄，α粒子探测因此对材料μτ的要求也较低；(3)禁带宽度和晶格稳定性，当α粒子的辐照剂量较高时，在半导体材料内部易产生局部损伤，形成缺陷团簇，因此对于高辐照剂量α粒子探测场合，需要宽禁带宽度、高晶格稳定性的材料。除辐照剂量高的探测场景，α粒子探测对半导体探测材料性能要求不高，但由于α粒子带电且在空气中的射程较短仅有几厘米，因此α粒子探测对探测系统结构要求较高：为减小α粒子的能量损失，α粒子探测尽可能在真空环境或小的源探距离下进行；电磁干扰、可见光、来自核素自身或宇宙的γ射线等往往会对α粒子测试造成干扰，可使用轻金属做电磁和可见光的屏蔽壳，使用原子序数小的探测材料或信号甄别方法减小和剥离γ射线的干扰。在α粒子探测领域，半导体探测器选材主要考虑经济性，应用最广泛的是硅基探测器，探测器类型主要为金硅面垒型、钝化注入平面硅PIPS探测器以及Si(Li)探测器，在高辐射剂量场中探测α粒子主要使用的是SiC探测器。

2.3.4 β射线探测器

β粒子探测主要应用于表面沾污仪、烟雾报警器、核素识别等领域。自然衰变产生的β射线能量通常不超过几个MeV，β射线的最大能量与核素种类一一对应。半导体β射线探测材料的选择主要考虑以下因素：(1)原子序数。β粒子质量小，与重元素相互作用易发生轫致辐射，因此优选原子序数小的半导体辐射探测材料。(2)密度和材料厚度。β粒子在物质中的数目衰减与探测材料厚度近似呈指数关系，衰减范围与物质的密度呈反比，β射线在材料中的作用深度稍大于α粒子，因此β射线探测器优选密度大的材料，对材料厚度要求较低。(3)载流子迁移率寿命积。β射线探测的一个重要应用是根据β射线的最大能量进行核素识别[4]，需要统计β粒子数目随厚度的变化规律，因此半导体β射线探测材料具有高的μτ，使得探测器具有快响应和高计数能力。β射线本质为电子和负电子，因此β射线探测对系统结构和相关材料的要求也比较高，源的托架和屏蔽壳应选择铝、玻璃、塑料、混凝土等低原子序数的材料，屏蔽腔要足够大，以减少环境中轫致辐射产生的散射β射线的影响。核素在发射β射线时通常也伴随着γ射线，需要依据β射线和γ射线在物质中的相互作用的特点加以鉴别。在β射线探测领域，金硅面垒型探测器和高纯锗探测器组成的ΔE-E辐射探测器应用最为广泛。

2.3.5 中子探测器

中子探测器主要应用于大气和地表媒介参数研究、微量痕量元素分析、快速无损检测、油矿煤矿勘探等领域。核技术应用研究主要关注慢中子和快中子，对于更高能量的中子，通常使用氢慢化剂使中子减速再进行探测。中子探测一般是利用它与物质原子核发生相互作用产生的次级粒子，获得稳态中子场中子注量率、能量等信息。慢中子探测主要通过测量中子与原子核反应后放出的能量较高的带电粒子或γ射线实现，快中子探测主要通过探测反冲核电荷以及反冲核使物质电离和激发产生的载流子实现。半导体中子探测材料的选择，主要考虑以下几个方面：(1)中子与半导体中子转换层材料的作用截面。中子在中子转换层中与物质相互作用产生能被后续探测单元探测的次级粒子，这一层材料需要与中子有较大的反应截面，常常包含3He、6Li、10B以及Cd和Gd的同位素等，中子与物质反应的截面大小与中子能量也密切相关，转换层材料成分和结构设计还需考虑中子场的能量特点，相比于α、X、γ射线与物质的作用截面，中子的作用截面较小，探测效率普遍较低。(2)次级粒子与次级粒子探测层材料的相互作用截面。次级粒子探测层主要探测在转换层中产生的次级粒子，α粒子、高能质子及γ射线等均为可能的次级粒子，次级粒子探测器设计要点如上文所述。(3)n/γ分辨。中子反应常伴随γ射线的产生及其与物质的相互作用，因此需要通过分析电离辐射的性质、沉积的能量、射线入射深度、信号上升时间等方法鉴别n/γ，例如使用薄中子转换层和薄次级粒子探测层的双层探测器，中子通过相互作用沉积其所有能量，而γ射线由于穿透深度大几乎不沉积能量，由此实现中子探测和γ射线屏蔽。基于以上对半导体中子探测材料和器件的性能要求，目前在中子探测领域广泛使用的半导体材料主要为BN、6LiF、金刚石、碳化硅等。

器件设计是半导体在不同辐射探测场景中取得较优性能表现的关键，不仅对半导体材料提出要求，还需进行合理的探测器结构设计、电极结构设计等，在实际应用中，半导体辐射探测材料大多均遵循了这样的器件设计要点。

3 典型的半导体辐射探测材料

3.1 ⅣA族

3.1.1 锗基和硅基探测器

锗、硅是应用最为广泛的半导体材料，也是最早应用于辐射探测器的半导体材料。1949年到1956年，科学家们发现锗二极管加反向偏压可以实现α粒子的探测，且信号响应与α粒子能量是线性关系。在1960—1965年间，得益于高温杂质扩散和电场驱动离子漂移技术，锂漂移锗探测器Ge(Li)问世，大尺寸Ge(Li)探测器具备高的能量线性，实现了对0.5～10 MeV的γ射线的探测。1965年前后，Borkowski和Kopp首次报道了HPGe探测器，Hall等[5]制备出了探测器级HPGe晶体和8 mm厚的HPGe探测器，HPGe的禁带宽度为0.7 eV，平均电离能小，通过液氮冷却方式工作，在110 K以下具有极高的能量分辨率，FWHM@59.5 keV=0.9 keV、FWHM@1.3 MeV=2 keV，在核素识别、活度测量、射线分析等方面具有较好的性能表现。HPGe可生长大尺寸(4～6英寸)晶体，探测射线的能量范围广，HPGe探测器的结构类型丰富可满足不同场景的应用需求，例如N型同轴型常用于反康普顿γ能谱测量，平面型通常用于软X射线探测和同步辐射研究，井型通常用于小体积源井内测量的场景，HPGe探测器的常见构型如图5所示。HPGe探测器的背景辐射极低、性能稳定，2000年以来，HPGe探测器在中微子质量测定、无中微子双衰变实验[6]、暗物质研究[7]等低本底测量领域也取得了应用。HPGe原子序数较低，光电效率较低，高分辨能谱中存在较高水平的康普顿平台，但HPGe探测器仍是目前能量分辨率最高的半导体探测器，是辐射探测领域的金标准，在基础研究、核安全监控等领域占有重要地位。

1958年金硅面垒二极管探测器和P-N结型硅探测器证明了硅具有辐射探测性能。20世纪70年代，锂漂移技术成功应用于硅，Si(Li)探测器成为最主要的高分辨X射线探测器。20世纪80年代，二维平面技术[9-10]、点接触电极[11]等技术应用于硅半导体探测器，微条带探测器、杂化像素探测器、漂移探测器[12]、电荷耦合器件等位置灵敏型探测器也逐渐成为研究前沿，拓展了硅在射线成像和芯片领域的发展，其中硅漂移探测器的工作原理如图6(a)所示。20世纪90年代以来硅光电探测器又发展出硅线性阵列探测器、硅APD阵列探测器、三位柱状电极硅探测器、三维沟槽电极硅探测器等类型[13-17]。近十年来，基于硅微条拼接结构的深硅探测器迅速发展[18]，硅光子计数能谱探测系统的研发成为热点，深硅探测器的结构示意图如图6(b)所示。硅的禁带宽度为1.12 eV，理论工作温度为210～240 K[19]，随着半导体温差制冷技术的应用，硅基辐射探测器目前可在室温工作，硅的载流子μτ高，电荷收集效率高，随着离子注入、表面钝化氧化等工艺的发展使得硅探测器的室温漏电流减小，Kemmer等[10]报道的经离子注入和表面钝化处理后的硅探测器，FWHM@5.486 MeV(α)=10.6 keV，能量分辨率显著提高。12英寸大尺寸硅单晶的生长工艺也基本成熟，硅探测器主要通过光电效应探测能量在30 eV～30 keV的X和γ射线以及作为康普顿效应中的散射层材料探测能量在几百keV到几MeV的γ射线。硅探测器是为数不多在带电粒子探测、X射线成像、γ射线探测等领域均有较为成熟应用的材料。

图5 HPGe探测器的常见构型[8]。按阅读顺序依次为平面型、半同轴型、同轴型、井型、n型单端同轴型和p型单端同轴型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

图6 (a)硅漂移探测器的工作原理[12]，电子在探测器中心平面内运动，在末端的零电势阳极被收集，空穴垂直于电极运动 被电极收集;(b)深硅探测器示意图[18]，探测器共有800个探测器元件和5个具有光子计数和能量鉴别功能的ASIC， 白线为探测器元件ASIC分组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 金刚石和碳化硅探测器

金刚石和SiC是典型的宽禁带半导体，得益于大的禁带宽度，二者电阻率高、平均电离能大、本征载流子浓度和电子空穴对产额低、探测器热噪声小、暗电流水平低，信噪比很高，在恶劣的高温环境下仍具有较高的能量分辨率。金刚石和SiC共价键结合强度高，抗腐蚀性能优异，在高能核物理反应中的级联过程和多重散射效应弱，抗辐照性能强，且机械强度高，在震动和颠簸环境中晶体不易碎裂。此外，金刚石的原子序数低，对X射线和γ射线的光电探测效率低，但金刚石的康普顿散射截面在较宽能量区间内相较其他相互作用的截面大，也常被用作多层康普顿相机中的散射层材料。金刚石探测器的饱和电场高，载流子漂移速度很快，非平衡载流子渡越时间短，宽禁带的金刚石探测器具有亚纳秒级的时间分辨率[20]。金刚石和SiC均含有C元素，C与快中子的相互作用截面大，与低能中子的相互作用截面较小，金刚石可以通过化学气相沉积在金刚石晶体生长过程中掺入6Li、10B等元素,SiC可在表面制备一层6LiF形成结型器件实现对低能中子的探测。目前4英寸SiC晶体生长技术已经趋于成熟，50～100 mm金刚石的生长工艺也不断进步，金刚石和SiC在极度高温、存在化学腐蚀以及高辐射剂量的中子和带电粒子探测应用中具有不可替代的地位。

3.2 ⅢA-ⅤA族

3.2.1 砷化镓探测器

用GaAs单晶作为核辐射探测器材料已有五六十年的历史，目前已成功生长出6英寸的单晶。GaAs是直接带隙半导体，禁带宽度为1.43 eV，研究者在1960年证实了n型和p型高阻GaAs可作粒子计数器，这是关于室温辐射探测器的首次报道。1970年，Eberhardt等[21]将高纯度n型GaAs作为基片制成可在77～373 K的温度范围内工作的结型α粒子和γ射线探测器。1976年，Borrego等[22]研究了Au-Al合金与GaAs形成的肖特基二极管的中子辐射效应。1992年，Benz等[23]首次用GaAs探测器在室温下观测到20 keV的X射线，拓展了GaAs探测器在低能射线光谱学领域的应用[24-25]。21世纪以来，Cr补偿GaAs电阻型、表面势垒型和PIN型等结构的GaAs辐射探测器相继发展，实现在较广的温度区间内(130～393 K)α粒子能谱探测，并将X、γ射线的能量响应范围拓展到2～100 keV，Amendolia等[26]依托CERN的技术支持开展GaAs乳房X射线成像设备的研制，他们设计的成像模块如图7(a)所示。在GaAs晶体表面蒸一层10B、6LiF等也可实现快速高效的中子和次级粒子的探测[27-28]，GaAs热中子探测器的探测原理如图7(b)所示。

图7 (a)GaAs像素探测器乳房X射线成像模块[26];(b)GaAs肖特基势垒热中子探测器[28]Fig.7 (a) GaAs pixel detector mammography imaging module[26]; (b) GaAs Schottky barrier thermal neutron detector[28]

3.2.2 氮化硼和锑化铟探测器

BN有立方和六方两种晶型，其禁带宽度较金刚石更大，电阻率和平均原子序数与金刚石相当，电子和空穴迁移率寿命积相近，化学性能稳定，在极端环境辐射探测领域也极具优势。10B是所有核素中热中子俘获截面最大的元素，BN是性能最好的热中子探测材料。

InSb具有高原子序数、高密度、低禁带宽度、低电阻率的特点，其禁带宽度仅为HPGe的1/4，在低温下其本征能量分辨率比HPGe更高，但受限于探测器制备技术，InSb探测器的耗尽层厚度小，常用仅可在低温下探测Pb、U等重元素发射出的能量在20 keV以下的L层特征X射线以及Y、Zr等中等质量元素的K层特征X射线，在原子和原子核的精细能级分析方面有巨大的应用潜力。将InSb探测器放置于充满3He气体的容器内，InSb探测器可通过探测3He与热中子相互作用产生的低能光子和氚核实现热中子探测。

3.3 ⅡB-ⅥA族

3.3.1 碲化镉、碲锌镉和碲锰镉探测器

CdTe是直接带隙半导体材料，禁带宽度约为1.44 eV，适宜在室温下工作。原子序数高，对X射线和γ射线的阻止能力强、本征探测效率高。电阻率较高，工作漏电流较小，CdTe探测器在室温辐射探测领域占有重要地位。CdTe探测器通常为结型结构，工作一段时间后会产生极化效应，载流子在探测器内逐渐积累形成空间电荷区，产生内建电场削弱外加电场，使探测性能恶化。

1984年，Bell等[29]用大面积Cd0.96Zn0.04Te单晶代替CdTe作HgCdTe的外延生长衬底，发现生长出的HgCdTe缺陷密度很低，可满足高性能红外探测器阵列的要求。CdZnTe是由CdTe和ZnTe固溶形成的三元化合物，辐射探测领域使用较多的碲锌镉为Cd0.9Zn0.1Te。1992年，Doty等[30]证明了CdZnTe对γ射线的探测能力，1993年，具有临床实用价值的碲锌镉脑部单光子发射计算机断层成像设备[31-32]问世，标志着核医学仪器在硬件上的新突破。1994—1996年，Hamilton等[33-34]制备了低漏电流、高电阻率的PIN结构的p-HgCdTe、CdZnTe、n-HgCdTe叠层探测器，实现了高能量分辨、宽能量范围的γ射线探测。西北工业大学介万奇教授课题组[35]成功生长出4英寸的CdZnTe单晶，孵化了陕西迪泰克新材料有限公司，并对CdZnTe的高阻机制、器件性能调控、辐照损伤、外延单晶生长进行了深入研究[36-40]。CdZnTe是目前国际公认的综合性能较好[41]、发展前景广阔的半导体辐射探测与成像材料，其主要优势在于[42]：原子序数大，对射线的阻止能力强、本征探测效率高、探测器体积小；禁带宽度为1.57 eV，适宜在室温下工作，无需制冷，器件结构紧凑，平均电离能小，信号统计涨落小，能量分辨率和信噪比高；化学稳定性好，对湿度不敏感；探测器级CdZnTe电阻率通常在1010Ω·cm以上[43]，比CdTe的电阻率高一个量级，CdZnTe探测器工作漏电流小，器件结构可以直接采用欧姆型，无极化现象；CdZnTe的电子输运性能优于CdTe，而CdZnTe的空穴输运性能相较CdTe略差，常伴有空穴拖尾的问题，CdZnTe探测器通常采用单极性电极结构设计方案[44-46]，提高电子在感应信号中的权重比例以及减小空穴收集不完全的不利影响。CdZnTe在X射线、γ射线探测和成像领域极具优势，基于CdZnTe的CT、伽马相机、康普顿相机、心脏专用SPECT、脑部专用SPECT、PET等高端工业和医疗设备[35,47-53]成为研发和应用的热点，CdZnTe在辐射检测、核医学放射成像、安检、工业无损检测等领域发挥着重要作用，图8展示了CdZnTe晶体以及部分国际先进的CdZnTe核医学和工业设备。

图8 CdZnTe晶体和基于CdZnTe开发的核医学和工业设备。(a)迪泰克公司制备的CdZnTe晶体； (b)GE Healthcare公司Discovery NM530c心脏显像仪；(c)H3D公司的H系列工业成像光谱仪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与MnTe固溶形成的均匀三元化合物，也是直接带隙半导体材料，Cd1-xMnxTe中化学键的离子性强，易形成六方晶型和闪锌矿结构孪晶。CdMnTe材料生长态电阻率低，仅有105～106Ω·cm，经过In掺杂后，CdMnTe的电阻率可达1010Ω·cm量级，可以有效降低器件工作漏电流，具有较好的X射线、γ射线探测性能。

3.3.2 非晶硒探测器

非晶硒的熔点为210 ℃，饱和蒸气压高，易挥发，可通过真空热蒸镀技术经济地制备均匀、大面积1 000 μm厚膜。硒的原子序数为32，由图2(d)可知其对X射线的光电吸收效率高。其禁带宽度在2～2.3 eV范围内，可在室温下工作，但非晶硒在40～60 ℃会发生晶化，在使用过程中需要控制温度。非晶硒电阻率较高，材料介电常数小，探测器暗电流小。在非晶硒探测器中，电荷传输在室温下是非分散的，非晶硒在电场强度大于10 V/μm情况下表现出优秀的X射线光电导性，且暗电流和热噪声很小，当电场强度进一步提高到70～80 V/μm的情况下，非晶硒探测器内部发生雪崩效应，显著提高光电转换增益，非晶硒有望被开发成为超高灵敏度的高增益雪崩冲击光电导体[54]。将非晶硒和薄膜晶体管TFT结合开发出的平面X射线成像系统(FPXI)已在乳房X线成像领域被广泛研究和应用[55]，非晶硒平板探测器像素结构和非晶硒模块如图9所示。

图9 (a)非晶硒平板X射线成像仪(FPXI)像素示意图;(b)有源矩阵阵列(AMA)基板上的非晶硒光 电导层与外围电子设备[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 钙钛矿探测器

卤化物钙钛矿是具有直接带隙的离子晶体，常含高原子序数元素(如Pb)。钙钛矿材料的原子缺陷容忍度高，载流子迁移率适中，在强电场条件下易发生离子迁移形成内建电场，使器件结构和性能产生不可逆的恶化。钙钛矿晶体通常同时具有很好的光学特性，可以选择半导体工作模式或闪烁体工作模式进行辐射探测。2014年，Hoke等[56]使用无铅、原子序数高、离子迁移抑制能力强、热稳定性和湿度稳定性较好的Cs2AgBiBr6单晶实现X射线探测。2015年，Que等[57]报道了用MAPbI3探测X射线，器件灵敏度和探测效率高，具有一定的耐久性。2016年，Yuan等[58]用金属卤化物钙钛矿首次直接探测到了伽马射线。2018年，Chen等[59]制备出柔性、高灵敏度、低检测下限的全无机钙钛矿X射线闪烁体探测器。钙钛矿成本低廉、制备工艺简单，通过制备工艺和成分优化，目前钙钛矿的探测极限、灵敏度、能量分辨率等性能整体提高，但作为半导体探测器使用时，其离子迁移问题仍未得到很好的解决，未来有望在柔性X射线成像领域有较大应用潜力。

3.4.2 溴化铊和含碘半导体探测器

TlBr具有高的原子序数、密度和电阻率，对射线有很强的阻止能力，禁带宽度较宽，能够满足室温和稍高温度的探测需求，器件漏电流较小。但TlBr载流子迁移率寿命积较小，器件不能做厚；TlBr晶体在室温下连续工作几个小时后，Tl+和Br-会发生离子迁移，探测器出现较为严重的极化效应；TlBr质软且两种单质元素均有剧毒，晶体生长过程存在较大安全隐患，器件制备和使用也多有不便。TlBr对低于463 nm的波长范围内的光子表现出高的量子效率，除可以直接探测高能射线，还可作为GSO和LSO闪烁辐射探测谱仪中的光探测器。

HgI2、PbI2、BiI3均具有原子序数高、密度高以及禁带宽度较大的特点，三者均具有层状结构，层间靠范德华力相接，结合力较弱，载流子输运性能差，晶体长大普遍困难。HgI2在从熔点降温的过程中会发生晶型转变，在器件工作过程中还会产生稳定极化效应，PbI2和BiI3则不会产生破坏性的相结构，鉴于BiI3在核辐射探测的研究尚未获得结果，PbI2被认为是HgI2的一种稳定替代物。HgI2探测器目前在X射线、低能γ射线、α粒子以及热中子探测领域取得一些进展，PbI2探测器目前仅在室温探测X射线、低能γ射线探测领域有一些初步实验结果。

TlBr、HgI2、PbI2和BiI3在辐射探测领域均取得一定的研究结果，但受限于材料成分和晶体特性，存在晶体不稳定、载流子迁移能力差、毒性、极化等难以解决的问题，限制了其进一步的发展。此外InP、Bi2S3、AlSb、TlPbI3、GaSe等诸多材料均表现出一定的辐射探测性能，但材料属性决定了这些材料在其他领域具有更广阔的应用，在此不进一步赘述，常见半导体辐射探测材料的性能参数如表2所示。

表2 常见半导体辐射探测材料性能汇总Table 2 Summary of the performance of common semiconductor radiation detection materials

4 半导体辐射探测器的发展

尽管半导体辐射探测器的开发和应用已经初具规模，但距离大批量商业化应用还有较长的路，在材料、器件和系统集成方面还存在一些需要大力发展的方向。

(1)半导体辐射探测材料的制备和处理。突破大尺寸、高质量、低成本半导体单晶体生长技术，完善和丰富材料处理工艺。晶体尺寸和晶体质量是探测器能量分辨率、探测能量范围、探测效率的决定性因素，材料处理工艺是探测器更好发挥探测性能的关键步骤，制备成本是各类材料取得广泛应用的重要经济指标。目前报道的半导体辐射探测材料，仅Si和Ge拥有成熟度高、成本低的单晶生长和加工工艺，大部分材料均面临着高质量晶体生长和处理工艺的制约，如CdTe、InSb、TlBr等晶体尺寸较小，CdMnTe、钙钛矿、HgI2、PbI2、BiI3等普遍存在结晶质量较低、晶体稳定性差和加工困难的问题，CdZnTe、金刚石、SiC等大尺寸单晶的生长成本较高，在一定程度上限制了上述材料在辐射探测中发挥其性能优势。高质量晶体制备和处理是半导体辐射探测材料取得广泛应用要解决的最根本和最重要的问题。

(2)半导体辐射探测器的设计与制备。建立完备的处理工艺方法库、器件设计和质量评价体系，明确辐射探测系统整体性能优化原理。例如：对于GaAs、CdZnTe、CdTe等电子输运性能远优于空穴的半导体材料，通常使用单极性电极设计方法，通过探测器权重势优化感应信号的收集，提高探测器的能量分辨能力；对于利用康普顿效应探测γ射线的康普顿相机，重点考虑探测器由原子序数小的散射层(如Si(Li)、SiC、金刚石)和原子序数高的吸收层(如CdTe、CdZnTe)构成还是单块大尺寸晶体(如CdZnTe)构成；当基于半导体探测器深度开发具有一定特征功能的SPECT、PET等设备时，需要进一步考虑射线作用原理和应用需求，明确探测材料的选择、探测器封装、源探关系、探测器尺寸形状和排布、探测器电极结构、射线准直器和屏蔽层、探测器工作条件等环节对探测器性能的影响，优化辐射探测器件结构设计。

(3)辐射探测与成像系统集成与应用开发。一方面深刻理解各辐射探测领域对辐射探测器的应用需求，面向有辐射探测需求的各领域开发定制化、成本合理、技术指标符合预期的辐射探测设备。另一方面加强探测器信号分析和信息获取能力，开展能谱解析算法、光场耦合算法、图像重建算法、运动成像算法、多视角耦合成像算法研究，进一步结合人工神经网络、机器学习等大数据分析方法，解决传统分析方法在大数据、复杂能谱情况下难以计算和处理的问题，提高半导体探测器的探测和结果分析效率，拓展半导体探测器应用深度和广度。