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【会员论文】武汉大学林乾乾教授联合上海光机所齐红基研究员团队：基于宽带隙Ga₂O₃单晶/有机异质结的高性能X射线探测器

日期：2025-12-04阅读：35

由武汉大学林乾乾教授联合上海光学精密机械研究所齐红基研究员团队在学术期刊 Applied Physics Letters 发布了一篇名为 Wide-bandgap Ga₂O₃ single crystal-based heterojunctions with organic interlayers for high-performance x-ray detection（宽带隙 Ga₂O₃ 单晶/有机传输层异质结用于高性能X射线探测）的文章。

背景

Ga₂O₃ 是一种新兴的超宽禁带（UWBG）半导体，禁带宽度约为 4.8 eV。其具有高物理化学稳定性、高击穿电场和高电子饱和漂移速率等优异特性，使其在功率电子器件、日盲紫外光电探测器等领域具有广阔的应用前景。与 SiC 和 GaN 等宽禁带材料相比，高质量 Ga₂O₃ 单晶可以采用熔融法从熔体中生长出来，这大大降低了制造成本，为大规模应用奠定了基础。X 射线探测器是医学影像、工业无损检测、空间探测和高能物理研究等领域的关键组成部分。目前主流的 X 射线探测器主要基于 Si、CdZnTe（CZT）或非晶 Se 等材料。这些材料面临以下挑战：Si 基探测器：响应度低，需要高偏压和复杂的放大电路，且对高能射线不敏感；CZT 基探测器：虽然性能优异，但价格昂贵；新型钙钛矿材料：虽然表现出高灵敏度，但其稳定性差、易受潮、含有毒性铅元素，限制了商业化应用。

Ga₂O₃ 的高原子序数（Ga: 31）使其具有较大的 X 射线吸收系数，意味着其对 X 射线有很强的捕获能力。Ga₂O₃ 的高击穿场强使其能够在高偏压下工作而不发生击穿，这对于收集 X 射线产生的海量光生载流子至关重要。使用高纯度 Ga₂O₃ 单晶可以最大程度地减少晶界和缺陷的影响，提高载流子传输效率和器件可靠性。为了高效地分离 X 射线激发的光生电子-空穴对，通常需要构建异质结。直接在 Ga₂O₃ 上制备金属电极或无机异质结可能会引入界面缺陷，影响载流子传输。引入有机半导体夹层可以有效地钝化 Ga₂O₃ 表面，同时构建理想的能带对齐，实现高效的电荷分离和传输。

主要内容

氧化镓（Ga₂O₃）因其卓越的光电特性，在下一代 X 射线探测领域展现出巨大潜力。然而基于 β-Ga₂O₃ 单晶的 X 射线探测器鲜有报道，主要原因在于 p 型 Ga₂O₃ 的制备仍面临挑战。本研究采用有机介质层异质结策略，系统性地考察了无意掺杂及 Fe 掺杂 β-Ga₂O₃ 单晶片在 X 射线探测中的应用。通过精心评估器件性能，实现了高响应速度（< 0.1秒）、低暗电流（-40 V 时为 0.42 nA）、优异稳定性（连续运行 6 天保持稳定光响应）及相对较高的 X 射线灵敏度（Fe 掺杂器件达 20.7 μC Gy⁻¹cm⁻²）。此外，氧空位浓度的降低可提升探测器的光电流/暗电流比值。本研究提出基于 β-Ga₂O₃ 单晶的高性能 X 射线探测器创新方案。

创新点

● 系统展示 β-Ga₂O₃ 单晶结合有机空穴传输层的异质结结构用于 X 射线探测有机-无机界面工程有效改善电场与载流子提取效率。

● 通过 mobility–lifetime product 计算建立 β-Ga₂O₃厚晶体的最佳吸收层厚度模型，表明适合商业单晶晶圆。

● 器件表现出超快响应速度、极低噪声与工作稳定性，展示了基于 β-Ga₂O₃ 单晶探测的实际应用潜力。

结论

本文介绍了两种用于制造 X 射线探测器的 β-Ga₂O₃ 单晶片。系统性地比较了其基本特性与器件性能，发现 Fe 掺杂能有效补偿自由电子，显著提高单晶电阻率，从而实现高性能 X 射线探测器的制备。掺铁 β-Ga₂O₃ 基探测器在室温空气环境下展现出卓越的 X 射线性能，包括高光暗电流比、低噪声密度及优异的运行稳定性。这些成果表明掺铁 β-Ga₂O₃ 单晶在 X 射线探测应用领域具有较大潜力。

图1. Fe 掺杂 β-Ga₂O₃ 的 XPS 光谱：(a) Ga_3d 区，(b) O_1s 区。未掺杂 β-Ga₂O₃ 的 XPS 光谱：(c) Ga_3d 区，(d) O_1s 区。

图2. (a) 不同半导体的衰减系数比较，(b) β-Ga₂O₃ 的计算衰减系数 (AE)、 (c) β-Ga₂O₃ 基 X 射线探测器的横截面示意图，(d) 平衡条件下能量分布示意图，以及 (e) UID β-Ga₂O₃基探测器与 (f) 铁掺杂 β-Ga₂O₃ 探测器的 I-V 特性曲线。

图3. (a) UID β-Ga₂O₃ 探测器在不同偏压下接受 X 射线照射时的时域响应（剂量率：647 μGy/s）；(b) UID β-Ga₂O₃ 器件的 X 射线剂量率与电流关系曲线。(c) 掺铁 β-Ga₂O₃ 探测器在不同偏压下接受 X 射线照射时的时域响应（剂量率：647 μGy/s）。(d) Fe 掺杂 β-Ga₂O₃ 器件中 X 射线剂量率与电流的关系。(e) UID β-Ga₂O₃探测器与 (f) Fe 掺杂 β-Ga₂O₃ 探测器在 X 射线照射下随剂量率线性增加的时域响应。

图4. (a) 铁掺杂 β-Ga₂O₃ 探测器的噪声谱，(b) 检测限，(c) 噪声等效剂量（NED），(d) 器件稳定性。

DOI：

doi.org/10.1063/5.0289681