【会员论文】西安电子科技大学郝跃院士、张进成教授团队：Ga₂O₃ X 射线探测器材料特性与器件应用进展

        由西安电子科技大学郝跃院士、张进成教授、张春福教授的研究团队在学术期刊 Semiconductor Science and Technology 发布了一篇名为 Review of Ga₂O₃ X-ray detectors: from material properties to device applications（Ga₂O₃ X射线探测器综述：从材料特性到器件应用）的文章。

        自 1895 年伦琴发现 X 射线以来，X 射线已广泛应用于医学诊断、工业无损检测、安全安检与科学研究。传统商用 X 射线探测器（非晶硒、硅、碲锌镉）存在工作电压高、稳定性差、成本高、铅毒性、空间分辨率有限等瓶颈。氧化镓（Ga₂O₃）作为超宽禁带半导体，凭借高击穿电场、强 X 射线吸收、优异稳定性与低成本大尺寸晶体生长能力，成为下一代 X 射线探测的理想材料。

        氧化镓（Ga₂O₃）凭借超宽禁带、高击穿电场与强 X 射线吸收能力，成为下一代 X 射线探测领域极具前景的半导体材料。本文从材料特性、器件设计与实际应用角度，系统综述了 Ga₂O₃ 基 X 射线探测器的最新研究进展。首先阐明 Ga₂O₃ 本征材料特性及其在 X 射线探测中的物理机制；随后重点分析体单晶、外延薄膜、非晶薄膜及异质结等不同构型探测器的性能，针对空穴输运效率低、深能级缺陷等关键挑战及对应调控策略展开讨论；最后探讨 Ga₂O₃ 探测器在成像阵列、柔性传感器等前沿领域的应用前景，并展望材料优化、器件结构设计与系统集成的未来研究方向。

        ●系统梳理 Ga₂O₃ 用于 X 射线探测的材料特性、制备方法与探测机理。

        ●按体单晶、外延薄膜、非晶薄膜、异质结分类梳理并对比探测器性能。

        ●总结核心瓶颈（空穴输运、缺陷）与解决方案（掺杂工程、界面工程、异质结设计）。

        ●展望柔性器件、成像阵列、低剂量探测与集成系统的应用前景。

        氧化镓作为新型宽禁带半导体，具备高击穿电场、优异稳定性与强 X 射线吸收系数等突出优势，在 X 射线探测领域展现出巨大潜力。但 Ga₂O₃ 基 X 射线探测器在灵敏度、响应速度与规模化应用方面仍面临诸多挑战。材料层面，从体单晶到外延薄膜的精准可控制备是核心难题；位错、氧空位等缺陷作为非辐射复合中心，显著降低载流子迁移率 - 寿命积，直接损害电荷收集效率；非故意掺杂晶体中氧空位形成浅施主能级，导致背景电子浓度过高，严重限制探测器电阻率与暗电流性能；受主掺杂（Fe、Mg 等）补偿效率受溶解度、格位占据与高电离能限制，室温下仅部分电离。未来需开展系统缺陷工程与掺杂动力学研究，建立缺陷形成能、掺杂效率与电学性能关联模型，为制备高阻、低缺陷密度 Ga₂O₃ 材料提供理论指导，从根本上提升探测器性能。器件层面，极低的空穴迁移率引发空间电荷效应，导致电场畸变与电荷收集不完全，延长载流子渡越时间并产生持续光电流，显著降低响应速度。研究人员正通过创新器件结构突破瓶颈：构建异质结利用内建电场定向分离光生载流子；设计雪崩倍增结构实现载流子数倍增，大幅提升探测灵敏度；研发冷阴极真空探测器，利用电子轰击光电导（EBIPC）等机制实现光电倍增。Ga₂O₃ 探测器在医学诊断、安全安检领域前景广阔，已初步验证 X 射线成像与报警系统潜力。Ga₂O₃ 薄膜适合大面积均匀成像阵列，非晶 / 多晶薄膜可通过低温工艺与商用 TFT 阵列集成，单晶薄膜适用于高性能图形化读出系统；但薄膜厚度有限（通常仅几百纳米）导致 X 射线衰减效率低，是未来应用需权衡的关键问题。纳米线等低维结构因高比表面积与独特光电特性，在小型化、便携式 X 射线预警系统中具备独特优势。尽管 Ga₂O₃ 基 X 射线探测器研究仍处早期，但材料、器件与应用层面的持续突破，必将使其在未来 X 射线探测领域发挥愈发重要的作用。

        本工作得到国家重点研发计划（No.2022YFB3605400）、国家自然科学基金（Grant No.62274132）资助。

图 1 Ga₂O₃ X 射线探测器相关论文发表数量统计。

图 2 不同结构氧化镓的概览。

图 3 射线转换为光电流的机制。

图 4 不同光子能量下 Ga₂O₃ 的 X 射线吸收系数。

图 5 (a) 直拉法生长炉示意图与 β-Ga₂O₃ 晶体照片；(b) 导模法示意图与 EFG 法制备的 β-Ga₂O₃ 体晶体照片 (c) 垂直布里奇曼炉示意图与 2 英寸直径 Fe 掺杂 β-Ga₂O₃ 单晶照片。

图 6 (a) 肖特基势垒二极管 X 射线探测器截面示意图；(b) β-Ga₂O₃ X 射线探测器的光电流（IX-ray）与暗电流（I_dark）；(c) 反向偏压下 β-Ga₂O₃ X 射线探测器的响应度与噪声等效剂量率。

图 7 (a) Ga₂O₃:Fe 探测器截面示意图；(b) 制备的 Ga₂O₃:Fe 探测器的净感应电流与灵敏度；(c) 不同电压下探测器的时间响应曲线放大图 (d) Ga₂O₃:Mg 探测器截面示意图；(e) 不同偏压下探测器的净感应电流与灵敏度；(f) X 射线辐照下 Ga₂O₃:Mg 探测器的瞬态响应 (g) Ga₂O₃:Al 探测器截面示意图；(h) Ga₂O₃:Al 探测器的净感应电流与灵敏度特性；(i) 200V 下测试的 Ga₂O₃:Al 探测器响应时间特性。

图 8 (a) 金属有机化学气相沉积反应腔示意图；(b) 分子束外延示意图 (c) 卤化物气相外延示意图。

图 9 (a) α-Ga₂O₃ 薄膜探测器截面示意图；(b) α-Ga₂O₃ 薄膜灵敏度随外加电场的变化；(c) 1 V 偏压、1.09 mGyair s⁻¹ 剂量率下光电流脉冲的典型上升与下降动力学。

图 10 (a) κ-Ga₂O₃ 薄膜探测器示意图；(b) 制备的 κ-Ga₂O₃ X 射线探测器的面灵敏度；(c) X 射线开关循环下测试的光电导探测器时间依赖光电流 (d) ε-Ga₂O₃ 薄膜探测器示意图；(e) 基于 ε-Ga₂O₃的 X 射线探测器灵敏度；(f) 光电流开关响应。

DOI：

doi.org/10.1088/1361-6641/ae55bf