关键词：
X射线探测器
ZnO
磁控溅射技术
PN结
半导体
摘要：
X射线（X-ray）是一种短波长、高频率的电磁波,因其具有高能量、强穿透的特点,在工业检测、医学诊断、航空航天、核科学技术等领域展现了重要应用价值。当前相关领域的快速发展对研制灵敏度高、响应和恢复速度快、剂量检测限低、能量和空间分辨率高、稳定性和可重复性良好的X射线探测器提出了新要求。近年来,研究人员对新型X射线探测器的研究越来越重视,也取得了一些进展,但探测器性能仍有较大的提升空间,稳定性也亟待进一步提高。并且,我国X射线探测器原创研究和自主知识产权也相对缺乏。相对于间接探测器,半导体X射线直接探测器具有分辨率高、体积小、装置简单、操作便捷等优点,被认为是极具发展潜力的新型X射线探测器件。目前,市面上Si、Se等第一代半导体X射线探测器研发较为成熟。但由于它们的禁带宽度窄、原子序数小,导致它们对高能射线的探测效率非常低,且稳定性较差。为了进一步提升半导体X射线探测器的性能,采用低本征载流子浓度、高稳定性的宽禁带半导体材料,研制出性能优良的新型X射线探测器具有重要意义。本论文在对X射线探测器研究现状和成果进行详细调研的基础上,以ZnO、GaN等宽禁带半导体作为主要的探测材料,运用半导体器件物理相关理论,采用射频磁控溅射技术和溶胶-凝胶技术,研制了系列光电导、PN结以及PIN结结构的半导体X射线探测器,并采用由直线加速器、数字源表、Lab VIEW软件平台自主搭建的远程X射线光电测试系统对器件探测性能进行了表征,详细分析了材料物性和器件结构对灵敏度、响应和恢复时间、信噪比等性能参数的影响机理。通过材料和结构优化,获得了高性能的ZnO基宽禁带半导体X射线直接探测器原型器件。具体的研究内容如下:首先,利用溶胶-凝胶技术、磁控溅射技术、水热法制备出了ZnO薄膜、ZnO纳米杆阵列的光电导型X射线探测器,系统研究了制备工艺对探测性能的影响。采用自主搭建的远程X射线光电测试系统对器件进行了X射线探测性能测试,结果显示,当X射线剂量率为0.1 Gy/s和10 V偏压条件下,使用磁控溅射技术制备的ZnO薄膜光电导X射线探测器暗电流较小,约为10-10 A量级,响应度为25.2 n C·Gy-1·cm-2,光、暗电流比为15,明显高于溶胶-凝胶法制备的器件。而基于ZnO纳米杆阵列的光电导X射线探测器的灵敏度达到了783 n C·Gy-1·cm-2,但信噪比和稳定性较差。其次,以Mg掺杂GaN厚膜（蓝宝石衬底）作为P型层,以（Mg）ZnO为N型层设计并研制了GaN/（Mg）ZnO异质结系列X射线探测器,系统研究了吸收层材料以及吸收层杂质对探测性能的影响。结果显示,当吸收层溅射时长为120 min时,这种结型探测器灵敏度较大,在41.5 m Gy/s的X射线剂量率与5 V反向偏压下达到0.24μC/Gy,响应、恢复时间分别为0.45 s和0.6 s,信噪比为41.7。继续对ZnO进行Mg掺杂以提高其禁带宽度和电阻率,制备了GaN/Mg ZnO异质结X射线探测器,测试结果显示探测器响应度呈减小趋势,为57.3 n C/Gy,但信噪比增大为93。响应和恢复时间均有所减少,分别为0.4 s和0.31 s。最后,在PN结构基础上进行优化改进,研制了GaN/（Mg）ZnO/（Al）ZnO结构PIN型X射线探测器。测试结果显示,该结型探测器具有明显的自供能特性。探测器在41.5 m Gy/s的X射线剂量率与5 V反向偏压的环境下可产生约1.1 n A的光电流,响应度为26.5 n C/Gy,信噪比约为59,响应时间缩短至100 ms。论文成功研制了基于ZnO和GaN等宽禁带半导体的新型X射线直接探测器,获得了性能优化的科学方案和实践经验,性能指标已达到商用Se基X射线探测器的水平,并且结型探测器自供能的特性可以进一步拓展其应用场景,展示出了良好的发展潜力。
