[发明专利]一种基于掺镁氧化镓单晶的X射线和伽玛射线探测器

说明书

本发明涉及一种基于掺镁氧化镓单晶的X射线和伽玛射线探测器，包括：掺镁氧化镓双面抛光晶片(2)，设置在掺镁氧化镓双面抛光晶片(2)一侧表面的Au电极(1)，设置在掺镁氧化镓双面抛光晶片(2)另一侧表面的Au复合电极，Au电极(1)与Au复合电极经外接电路(5)连通。与现有技术相比，本发明具有低的本征载流子浓度和高的电阻值，获得了高的灵敏度。

技术领域

本发明属于半导体核辐射探测器件领域，尤其是涉及一种基于掺镁氧化镓单晶的X射线和伽玛射线探测器。

背景技术

X射线和伽玛射线探测在核医学成像、安检、暗物质探测等领域具有重要应用。半导体探测器属于直接探测方法，基本过程是高能辐射在半导体材料内部产生电子-空穴对，在电场的作用下电子-空穴分别向两个电极输运，在电路中形成电流或电压信号。与其它核辐射探测方法相比，半导体探测具有电荷收集效率高、灵敏度高、探测效率高等显著优点。

传统半导体探测器如高纯Ge探测器，Si漂移探测器等窄带隙半导体探测器必须在低温下工作以降低暗电流，在实际应用上带来了限制。CdZnTe探测器的带隙比Ge、Si宽，可以在室温下使用，但高质量、高一致性的晶体材料生长较为困难，导致成本很高，不利于广泛应用。其他宽带隙半导体探测器，如ZnO探测器、金刚石探测器、SiC探测器和GaN探测器等都因为材料制备的困难而离实际应用较远。

近几年出现的氧化镓宽禁带半导体为X射线和伽玛射线探测器带来了新的希望。氧化镓的带隙为4.9eV，击穿场强可以高达8MV/cm，因此理论上该材料可以采用很高的偏压实现射线致载流子的高效收集，以提高探测效率。氧化镓单晶可以采用熔体法生长，例如提拉法、浮区法、导模法等。这些生长方法有利于获得高质量、大体积、低成本的单晶。基于氧化镓单晶的X射线探测器已有报道(如“Schottky x-ray detectors based on a bulkbeta-Ga₂O₃ substrate”,Applied Physics Letters 112,103502,2018)。但目前生长出的氧化镓单晶由于其原料中含有的微量杂质和制备过程中产生的本征缺陷，导致所获得的非掺杂单晶都具有n型导电性，最高自由电子浓度可达1x10¹⁸ cm^-3数量级，电阻率可达0.1Ωcm数量级。这样大的载流子浓度会产生高的暗电流，导致低的探测灵敏度，甚至在探测较弱信号时完全失效。对于X射线和伽玛射线探测，为了对射线有效吸收，氧化镓半导体层的厚度通常是200-5000微米，对于如此厚度的半导体材料，如果要有效收集射线产生的电荷，就必须施加足够的电压以形成足够的电场强度，然而高电压同时导致本征载流子信号的增强。因此降低氧化镓本征载流子浓度，提高电阻值，是提高其探测灵敏度的关键。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于掺镁氧化镓单晶的X射线和伽玛射线探测器，解决了现有技术中X射线和伽玛射线探测灵敏度不高的技术问题。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于掺镁氧化镓单晶的X射线和伽玛射线探测器，包括：

掺镁氧化镓双面抛光晶片，

设置在所述掺镁氧化镓双面抛光晶片一侧表面的Au电极，

设置在所述掺镁氧化镓双面抛光晶片另一侧表面的Au复合电极，

所述Au电极与所述Au复合电极经外接电路连通。

采用Mg来进行掺杂是本发明关键的技术方案之一，Mg是+2价离子，在晶体中取代Ga占据的是+3价的格位，因此是受主中心。通过理论计算表明，这种受主形成的是深受主能级，其能级位置距离价带顶约1.15eV。这属于深受主能级，深受主能级在室温下不会主动释放空穴，但当材料中有自由电子时，可以俘获这些电子，产生电离，起到补偿受主的作用。当补偿受主浓度稍微超过自由电子浓度时，也不会产生空穴的净释放。