【国际论文】英国斯旺西大学侯尧楠教授团队：同步辐射解析氧化镓X射线探测机制，建立器件性能标准化评价体系

日期：2026-08-27阅读：136

由斯旺西大学（Swansea University）侯尧楠教授团队在APL Materials上发布了一篇为A critical consideration of x-ray detectors based on Ga₂O₃: Excitation, carrier transport mechanisms, and performance standardization的文章。团队利用同步辐射光源揭示了氧化镓基X射线探测器载流子激发和传输机制，并提出了相关器件的测试和评估标准。该工作入选编辑精选文章(Editor’s Pick)。

背景

随着医学成像、安全检测、工业无损检测及同步辐射科学的发展，高性能X射线探测器需求不断增长。相比传统硅基探测器，β-Ga₂O₃具有超宽禁带（约4.9 eV）、高密度、高热稳定性和优异的抗辐照性能，在高灵敏度、低噪声及恶劣环境X射线探测领域展现出巨大应用潜力。然而，目前Ga₂O₃ X射线探测器研究仍存在两个关键问题：一是普遍采用宽谱X射线管进行测试，无法准确区分不同能量X射线的载流子激发机制；二是器件性能测试方法和参数定义缺乏统一标准，导致不同研究之间难以进行客观比较，制约了该领域的发展。

主要内容

本研究基于外延生长的Si掺杂β-Ga₂O₃薄膜制备了平面肖特基MSM探测器，利用同步辐射单色可调X射线（8–24 keV）开展系统研究，重点分析了光生载流子激发机制、载流子输运机制以及器件性能评价方法。

首先，通过可调单色X射线测量不同能量下的量子效率和吸收特性，发现当X射线能量接近Ga 1s电子束缚能（约10.5 keV）时，光生载流子主要来源于壳层电子直接吸收；而在其他能量范围，则以非弹性散射过程为主，从而首次明确了Ga₂O₃直接型X射线探测器的光激发机制。

其次，通过调控Si掺杂浓度，研究了暗态和光照条件下的载流子输运行为。结果表明，高掺杂器件暗电流主要遵循空间电荷限制电流（SCLC）机制，而低掺杂器件则表现为Poole–Frenkel陷阱辅助输运；在X射线照射下，不同掺杂浓度器件均表现为Poole–Frenkel输运机制，说明光激发能够有效激活陷阱态参与载流子输运。结合瞬态响应、TEM和XPS分析，进一步揭示了缺陷及其空间分布对响应速度和器件性能的重要影响。

最后，针对目前Ga₂O₃ X射线探测器研究中存在的性能评价不规范问题，论文提出了一套完整的标准化测试与数据分析流程，包括灵敏度、量子效率、响应时间、有效探测面积及剂量率计算方法，并澄清了参数定义和计算公式，为器件性能的统一评价提供了依据。

创新点

①首次利用同步辐射单色可调X射线系统研究Ga₂O₃探测器的激发机制，明确了壳电子直接吸收与非弹性散射共同作用的光生载流子产生过程，为理解Ga₂O₃直接型X射线探测机理提供了理论基础。

②系统揭示了Si掺杂浓度对载流子输运机制的影响规律，建立了暗态与光照条件下的载流子输运模型，并结合材料缺陷分析阐明了缺陷陷阱在器件响应中的作用机制。

③提出Ga₂O₃ X射线探测器性能标准化评价体系，规范了灵敏度、响应时间、量子效率等关键参数的测试方法及计算流程，为不同研究工作的横向比较和器件优化提供了统一标准，该方法亦可推广至其他宽禁带半导体X射线探测器。

结论

本研究不仅阐明了β-Ga₂O₃ X射线探测器的光生载流子激发机制和载流子输运规律，而且建立了完善的器件性能测试与评价标准。实验结果表明，高掺杂器件在12 keV条件下实现了1.42 μC·mGy⁻¹·cm⁻²的灵敏度和超过三个数量级的光暗电流比，并表现出优异的稳定性和抗辐照能力。更重要的是，论文提出的标准化测试规范解决了当前Ga₂O₃ X射线探测领域性能评价不一致的问题，为宽禁带半导体X射线探测器的规范化研究、器件优化及未来工程化应用奠定了重要基础，并将推动该领域从实验室研究向实际应用加速发展。

图1: (a) 电磁波谱中的X射线波段及其应用实例; (b) β-Ga₂O₃中近带边吸收低能光子（DUV和部分软X射线）的示意图；(c) X 射线与Ga原子相互作用的示意图。其中，直接吸收和非弹性（康普顿散射）散射会对内部光电效应产生贡献，而弹性散射不会产生高能电子。 (d) Ga和O原子的电子结合能表。

图2: (a) XRD 2θ扫描证实所形成的Ga₂O₃薄膜为单一的β相；(b) 透射光谱显示两个样品均在253 nm（4.9 eV）附近表现出陡峭的吸收边; (c) XPS光谱显示高Si掺杂样品的Vₒ（氧空位）峰明显降低； (d) 测量系统的示意图；(e) 器件的光学显微图像（比例尺=500 μm）；(f) 通过对准相机拍摄的探测器照片，其中整个器件对8 keV X射线具有透明性。

图3：(a) 在β-Ga₂O₃上制备的MSM器件的光电流和对比度，其中Si掺杂浓度范围为10¹⁵–10²¹ atoms·cm⁻³ ; (b) 高掺器件A和低器件B暗电流；(c) 器件A和B的光电流； (d) 器件A的暗电流，以V²–I关系进行绘图；(e) 器件B的暗电流，以ln(I/V)–V¹ᐟ²关系进行绘图；(f) 两个器件的光电流，以ln(I/V)–V¹ᐟ²关系进行绘图。

图4：(a) 和 (b) 分别显示器件A和B在不同电压下光电流上升与衰减特性；(c) 高浓度和低浓度掺杂明场TEM图像对比； (d) 器件A在调制X射线辐照下的脉冲光电流；(e) 100–150 s时间范围内脉冲光电流的放大图；(f) 在不同电压下，通过对脉冲光电流进行傅里叶变换得到的调制X射线频率。

图5：高掺 (a) 和低掺 (b) 器件在高通量X射线长时间照射下的稳定性。

图6: (a) Ga₂O₃的X射线衰减系数的理论值，实验室和拟合值的比较；(b) 不同X射线能量和偏压下器件的量子效率；(c) 量子效率随X射线能量变化曲线；(d) 器件灵敏度随x射线能量变化曲线；(e) 不同X射线能量和偏压下器件的灵敏度；(f) 光电流随剂量率×A₀变化的曲线。

DOI：

doi.org/10.1063/5.0346461