【国内新闻】同济大学刘波教授团队利用带隙工程获得高电阻率的 β-Ga₂O₃:Al 单晶及其 X 射线探测器

        近期，同济大学刘波教授研究团队提出了一种基于 β-Ga₂O₃:Al 单晶的高性能 X 射线探测器的设计策略，并通过光学浮区法生长出高质量β-Ga₂O₃:Al 单晶。制备的基于 Ga₂O₃:15%Al 的 X 射线探测器具有灵敏度高、响应速度快、检测限低等优点。相关研究成果以 “Band gap engineering in β-Ga₂O₃ for a high-performance X-ray detector”为题发表在ACS Applied Electronic Materials上。

摘要

        氧化镓（Ga₂O₃）具有超宽带隙、高击穿电场和高X射线吸收系数，在 X 射线检测领域引起了极大关注。然而，由于杂质元素或本征缺陷导致了浅施主能级，非故意掺杂的 Ga₂O₃ 往往具有低电阻率。铁和镁离子的掺杂可以提高 β-Ga₂O₃ 的电阻率，但由于深能级杂质的引入，载流子漂移长度和载流子收集效率大大降低。本文中，研究人员通过带隙工程获得了高电阻率的掺Al β-Ga₂O₃（β-Ga₂O₃:Al）单晶，同时，讨论了 Al³⁺ 掺杂对于提高 β-Ga₂O₃ 晶体电阻率的影响机理，研制了一种高电阻率、高质量的基于 β-Ga₂O₃:15%Al 的 X 射线探测器。该探测器具有 851.6 μC·Gy_air⁻¹·cm⁻² 的高灵敏度，是商用非晶硒 X 射线探测器灵敏度的 42 倍。此外，该探测器具有响应速度快以及小于 0.05 s 的上升时间和衰减时间。研究发现，基于 β-Ga₂O₃:15%Al 的 X 射线探测器的高性能归因于 β-Ga₂O₃:Al 晶体的高电阻率和高质量。本文提供了一种通过带隙工程获得基于 β-Ga₂O₃ 单晶的高性能 X 射线探测器的方法。

DOI: 10.1021/acsaelm.1c00778