使用單晶氧化鎵X射線探測器能夠讓醫生近乎實時地監測輻射

使用單晶氧化鎵X射線探測器，能夠讓醫生近乎實時(near-real time)地監測輻射。近日，這項研究成果發表在最新一期的Journal of Materials Science上，題目為Fast X-ray detectors based on bulk β-Ga2O3 (Fe) (《基于β-Ga2O3 (Fe)的X射線探測器》)。

氧化鎵是一種新興的半導體材料，它是按鎵(Ga)和氧(O) 2：3的化學計量比例合成的化合物，晶體結構為單斜。

這篇文章的作者來自美國北卡羅來納州立大學，他們的研究采用了熔體生長法 "EFG" (限邊饋膜生長法) 生產的摻鐵單晶氧化鎵，具有最穩定的β型晶體結構(EFG-grown Fe-doped β-Ga2O3)。研究發現這種材料能夠承受高輻射。文章還顯示，氧化鎵可能比X射線探測器目前使用的許多材料都要快，可以用于醫學成像。

這篇論文的作者葛陽(音譯)表示，氧化鎵基探測器具有很高的抗輻射能力，與其他傳統和新興的X射線傳感材料相比，其密度相對較高，這使得它們對入射的X射線輻射具有很高的阻擋能力，且能夠長時間工作而不會導致損壞。研究已經表明，氧化鎵基探測器的反應可能比之前報道的還要快兩個數量級，這極大地鼓舞了在該領域的進一步研究。

氧化鎵具有很高的耐輻射性，即使暴露在高輻射下也不影響使用。用它制造的探測器可以在無需冷卻的情況下工作，這使得它們可以被應用到不同的成像系統中。

這種材料也可以在沒有外部施加電壓的情況下使用，還可以在5伏的低電壓下工作，這為應用于無源、遠程和掌上設備開辟了道路。

研究團隊用氧化鎵的單晶樣品開發了一種放射探測器。電極附著在材料的任一側，當材料暴露在X射線的照射下時，施加不同的偏置電壓(bias voltages)。他們發現，隨著X射線的曝光水平增加，氧化鎵的電流通過量呈線性增加，這意味著X射線照射量越高，氧化鎵的電流增加量也越大。

葛陽表示，下一步將測試氧化鎵的成像能力，以及在惡劣環境下的工作性能，比如高溫環境。在現階段，評估其作為X射線成像設備的特性非常重要，因為需要評估許多關鍵參數，比如空間分辨率、時間分辨率以及基于氧化鎵的X射線機可能達到的動態范圍。此外，在惡劣的環境條件下測試其性能也非常令人關注，因為這為氧化鎵基X射線探測器的應用開辟了新的可能性。

▲氧化鎵探測器可以實現對X射線輻射近乎實時的監測

研究還發現，摻鐵的氧化鎵能顯著提高X射線的探測性能，增強了其作為低功耗、高信噪比和線性化的下一代X射線探測器的適用性，并顯著改善了瞬時(transient)特性。

近年來，氧化鎵作為一種新型超寬禁帶半導體材料得到了廣泛關注，引發了一場對氧化鎵功率器件的研究熱潮，美國和日本已經投入了大量的人力、物力和財力開展相關研究。

一直以來，我國在β-Ga2O3晶體材料和器件方面的研究相對落后，關鍵原因是受限于大尺寸高質量β-Ga2O3晶體的獲得。

2017年，同濟大學物理科學與工程學院唐慧麗副教授、徐軍教授團隊采用自主知識產權的導模法技術成功制備出2英寸高質量β-Ga2O3單晶。

2019年，中國電科46所采用導模法成功制備出高質量的4英寸氧化鎵單晶。

此外，2017年，國內首家專業從事超寬禁帶半導體氧化鎵材料及其相關器件研發企業——北京鎵族科技有限公司，由北京首都科技發展集團有限公司和北京順義科技創新集團有限公司注資成立。

這些都將有力推動我國氧化鎵基電力電子器件和探測器件的發展。