【会员论文】西安电子科技大学郝跃教授团队：抗辐射+低成本！深紫外/X 射线双模氧化镓探测器新突破

日期：2026-04-23阅读：59

高能光子的精准探测在深空探测、医疗CT诊断以及工业无损探伤等前沿应用中发挥着不可替代的作用。然而，当前主流的商用半导体探测器普遍面临制备工艺繁琐、高度依赖昂贵真空设备以及极端环境下稳定性欠佳等核心痛点。为了在降低制造成本的同时打破器件的性能天花板，西安电子科技大学郝跃教授团队提出了一种极具产业化潜力的破局思路。该团队独辟蹊径，采用环境要求极为宽松的雾化化学气相沉积（Mist-CVD）技术，成功在蓝宝石衬底上“种”出了具有超高结晶质量的氧化镓薄膜。基于该薄膜精细构筑的深紫外与X射线双模探测器，不仅巧妙利用材料内部的缺陷物理机制实现了巨大的光电增益，全面平衡了“高灵敏”与“快响应”这对长期存在的矛盾，更在极微弱的X射线辐射下展现出了颠覆现有商用产品的极高探测灵敏度与基线稳定性。这项工作为下一代低成本、抗辐射的光电子器件研发开辟了全新的技术路径，相关成果“采用 Mist-CVD 制备的高灵敏度、快速响应 β-Ga₂O₃ 深紫外/X 射线探测器（A β-Ga₂O₃ DUV/X-ray detector with high sensitivity and rapid response fabricated by Mist-CVD）”近期发表于Chinese Journal of Electronics。

内容聚焦

01. 告别昂贵真空设备，低成本工艺也能“种”出高品质薄膜

在超宽禁带半导体材料外延生长体系中，传统工艺往往极度依赖超高真空环境与昂贵庞大的成膜设备，这在无形中筑起了极高的商业化壁垒。本研究最大的工艺亮点，在于大胆引入了一种成本极其低廉、且容错率极高的雾化化学气相沉积（Mist-CVD）技术。研究团队通过精确调控前驱体溶液浓度与载气流量等热力学条件，在常压环境下成功主导了材料的微观结晶过程。测试结果证实，该工艺生长出的氧化镓薄膜不仅排除了杂质相的干扰，而且晶格内部的氧空位缺陷可控，其致密且平滑的表面形貌足以媲美那些采用传统高真空工艺制备的顶级薄膜。这一工艺突破大幅削弱了电极接触界面的载流子散射效应，为后续打造具有极低暗电流的高性能探测器奠定了坚实的材料基石。

图1 氧化镓薄膜的综合物理与形貌表征：(a) 衍射图谱；(b) 摇摆曲线；(c) 表面形貌；(d) 吸收光谱及光学带隙推演；(e) XPS高分辨能谱；(f) 截面电子显微图像。

02. 驾驭缺陷动力学，实现深紫外波段的高增益与极速响应

在光电探测器领域，“极高灵敏度”与“极速响应”往往是一对难以兼顾的物理矛盾：追求高增益通常需要依赖材料缺陷对载流子的长时间捕获，但这必然导致光源撤去后器件响应迟缓（即持续光电导效应）。该团队在深紫外探测的测试中，敏锐地捕捉到了光电流对入射光强的“超线性放大”现象——即在特定光强下，少数光子就能激发出海量的电子在两极间高速穿梭。这种巨大的光电增益，本质上源于薄膜内部适量的深能级缺陷（氧空位）对空穴的有效捕获。

图2 器件日盲紫外响应特性：(a) 探测器结构示意图；(b) 不同光强激发的I-V特性；(c) 光电流的超线性依赖关系；(d) 响应度与比探测率演化

更为精妙的是，得益于Mist-CVD工艺对生长的精准把控，团队将晶格内部的氧空位浓度严格限制在了一个理想的“甜点区”。这种适度的缺陷既保障了增益机制的顺利启动，又严厉抑制了载流子被“永久羁押”的困境。最终，器件不仅在日盲紫外光下展现出极高的光电响应度，更实现了低至16毫秒的极速信号恢复，一举打破了传统氧化镓探测器响应迟缓的技术瓶颈，真正具备了迈向实时高速成像应用的可行性。

图3 器件极速恢复与瞬态响应特性：(a) 多周期循环开关特性；(b) 揭示16毫秒极速恢复的弛豫过程细节；(c) 变光强条件下的I-t瞬态响应曲线；(d) 响应时间的光强依赖性评估

03. 微米级厚度爆发出惊人能量，硬X射线探测迎来效能飞跃

面对医疗诊断与核工业探伤中对高能射线高效探测的迫切需求，氧化镓凭借其巨大的材料密度和超宽禁带，展现出了绝佳的天然优势。令人拍案叫绝的是，本研究中的探测器仅仅采用了微米级别的超薄膜构型，却在极微弱的X射线剂量下，激发出高度一致且极度灵敏的线性光电流。深入剖析其微观机制发现，穿透力极强的X射线在晶格内部引发了猛烈的次级电子碰撞电离雪崩，加之深能级缺陷在辐射场中被大规模激发，这两种机制的完美协同，使得该薄膜器件的最高探测灵敏度飙升至目前医疗市场主流商用非晶硒探测器的上千倍。不仅如此，在长达数分钟的连续大剂量辐射冲击以及反复开关测试下，该器件的暗电流基线坚如磐石，毫无不可逆的老化或漂移迹象，彻底攻克了长期困扰高能辐射探测器快速坍塌的核心难题，尽显其硬核的抗辐射实力。

图4 探测器硬X射线高灵敏响应与基线稳定性验证：(a) 氧化镓与主流半导体的衰减系数对比；(b-c) 变辐射剂量率下的光电流与严格线性响应；(d) 探测灵敏度随剂量率的动态演化；(e) 连续极速变剂量下的瞬态响应；(f) 长期开关重复辐射下的无漂移自恢复循环特性

应用前景

本文提出的极简Mist-CVD制备工艺，不仅在基础物理层面深刻验证了缺陷工程对半导体光电行为的协同放大效应，更为兼具超高增益与极速响应的双模探测器提供了切实可行的量产样板。与重度依赖昂贵真空设备的传统外延技术相比，该方法展现出了近乎颠覆性的制造成本优势。未来，这项低成本、高稳定性的深紫外/X射线探测技术有望深度赋能大规模视频级日盲成像系统、便携式低剂量医疗CT终端以及极端环境下的航空航天探测，为我国新一代极限环境泛电子核心元器件的自主突破与普适化应用注入强劲动能。

结论

综上，本文展示了一种采用 Mist-CVD 制备的 Ga₂O₃ 薄膜探测器，可同时实现深紫外（DUV）和 X 射线光子的探测。通过 Mist-CVD 生长的 Ga₂O₃ 薄膜具有优异的晶体质量（半高宽 FWHM = 0.63°）、宽禁带以及适宜的缺陷密度，这些因素共同赋予器件在紫外和 X 射线探测中的优异性能。值得注意的是，缺陷的存在引入了光电导增益效应，从而显著提升了探测器的灵敏度。所制备器件表现出优异性能：在 254 nm 光照下，响应度（R）达到 112 A/W，比探测率（D*）达到 1.58 × 10¹⁵ Jones；在 X 射线辐照下，其最大灵敏度可达 2.78 × 10⁴ μC·Gy_air⁻¹·cm⁻²。此外，该器件还表现出良好的稳定性。上述结果表明，Ga₂O₃ 是一种高效的深紫外及 X 射线探测材料，为实现低成本、高性能光电探测器提供了新的可行路径。

作者简介

曾丽如 西安电子科技大学微电子学院博士研究生，主要研究方向为氧化镓材料外延生长及相关器件制备。

张泽雨林 西安电子科技大学微电子学院博士毕业，主要研究方向为氧化镓材料生长与相关器件制备。

刘丁赫 西安电子科技大学微电子学院博士毕业，主要研究方向为氧化镓功率器件的设计与制备。

陈昊西安电子科技大学微电子学院博士研究生，主要研究方向为氧化镓光电探测器的设计与制备。

朱春翔 新加坡国立大学电机与计算机工程系副教授，主要从事先进半导体器件物理与制造工艺方向的科研与教学工作。

张春福 西安电子科技大学微电子学院教授，主要研究方向为半导体光电器件的工作机制与先进表面处理加工工艺，在西安电子科技大学创建了有机、柔性器件及瞬态器件研究方向。

张进成 西安电子科技大学微电子学院教授，长期致力于宽禁带与超宽禁带半导体材料、微波射频器件的前沿科研与攻关。

郝跃西安电子科技大学微电子学院教授、中国科学院院士，我国微纳米半导体新器件、集成电路可靠性及宽禁带半导体领域的先驱与领军人物。

DOI:

10.23919/cje.2025.00.140