【国际论文】基于氧化镓半导体的大体积超快辐射硬光谱闪烁体

摘要

        本文报告了首款无机抗辐射防潮的大体积光谱闪烁体半导体的开发成果，该闪烁体具有少于2ns的衰减时间和高达8000ph/MeV的发光效率。尽管闪烁体材料研究广泛，但同时具备超快衰减时间（如BaF₂和掺Yb的闪烁体Lu₂O₃:Yb）、高发光效率（超过2000ph/MeV）、光谱能力以及出色的抗辐射性能的理想闪烁体仍未实现。在本研究中，我们首次展示并报道了用于这些应用的大体积（厚度达到20mm）基于氧化镓（β-Ga₂O₃）半导体的闪烁体的可行性。这些β-Ga₂O₃闪烁体采用快速周转（约2天）的无坩埚光浮区（FZ）技术生长。自由载流子浓度为 6 × 10¹⁷ cm^-3 的高纯度 n 型半导体的高光产率和超快衰减时间归因于优化 FZ 生长过程中产生的原生缺陷，特别是氧空位（V_O）和镓-氧空位对（V_Ga–V_O）。这种超快衰变和高光产率，使其适用于飞行时间正电子发射断层扫描、物理实验和核安全等应用。这些设备的抗辐射性能已在另一篇文章中记录。

图 1.2022 年至 2024 年期间，β-Ga₂O₃ 晶体生长速度逐步加快，展示了通过浮区（FZ）生长技术提高晶体质量和体积的成果。

图 2.在室温 300 nm激发波长下测量的 β-Ga₂O₃ 闪烁体发射光谱

DOI：

doi.org/10.1063/5.0219987