使用單晶氧化鎵X射線探測器，能夠讓醫(yī)生近乎實(shí)時(shí)(near-real time)地監(jiān)測輻射。近日，這項(xiàng)研究成果發(fā)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(dǎo)體材料，它是按鎵(Ga)和氧(O) 2：3的化學(xué)計(jì)量比例合成的化合物，晶體結(jié)構(gòu)為單斜。

這篇文章的作者來自美國北卡羅來納州立大學(xué)，他們的研究采用了熔體生長法 "EFG" (限邊饋膜生長法) 生產(chǎn)的摻鐵單晶氧化鎵，具有最穩(wěn)定的β型晶體結(jié)構(gòu)(EFG-grown Fe-doped β-Ga2O3)。研究發(fā)現(xiàn)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(yī)學(xué)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(tǒng)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(shí)間工作而不會(huì)導(dǎo)致?lián)p壞。研究已經(jīng)表明，氧化鎵基探測器的反應(yīng)可能比之前報(bào)道的還要快兩個(gè)數(shù)量級(jí)，這極大地鼓舞了在該領(lǐng)域的進(jìn)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(yīng)用到不同的成像系統(tǒng)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(yīng)用于無源、遠(yuǎn)程和掌上設(shè)備開辟了道路。

研究團(tuán)隊(duì)用氧化鎵的單晶樣品開發(fā)了一種放射探測器。電極附著在材料的任一側(cè)，當(dāng)材料暴露在X射線的照射下時(shí)，施加不同的偏置電壓(bias voltages)。他們發(fā)現(xiàn)，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(huán)境下的工作性能，比如高溫環(huán)境。在現(xiàn)階段，評(píng)估其作為X射線成像設(shè)備的特性非常重要，因?yàn)樾枰u(píng)估許多關(guān)鍵參數(shù)，比如空間分辨率、時(shí)間分辨率以及基于氧化鎵的X射線機(jī)可能達(dá)到的動(dòng)態(tài)范圍。此外，在惡劣的環(huán)境條件下測試其性能也非常令人關(guān)注，因?yàn)檫@為氧化鎵基X射線探測器的應(yīng)用開辟了新的可能性。

▲氧化鎵探測器可以實(shí)現(xiàn)對X射線輻射近乎實(shí)時(shí)的監(jiān)測

研究還發(fā)現(xiàn)，摻鐵的氧化鎵能顯著提高X射線的探測性能，增強(qiáng)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(shí)(transient)特性。

近年來，氧化鎵作為一種新型超寬禁帶半導(dǎo)體材料得到了廣泛關(guān)注，引發(fā)了一場對氧化鎵功率器件的研究熱潮，美國和日本已經(jīng)投入了大量的人力、物力和財(cái)力開展相關(guān)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(guān)鍵原因是受限于大尺寸高質(zhì)量β-Ga2O3晶體的獲得。

2017年，同濟(jì)大學(xué)物理科學(xué)與工程學(xué)院唐慧麗副教授、徐軍教授團(tuán)隊(duì)采用自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的導(dǎo)模法技術(shù)成功制備出2英寸高質(zhì)量β-Ga2O3單晶。

2019年，中國電科46所采用導(dǎo)模法成功制備出高質(zhì)量的4英寸氧化鎵單晶。

此外，2017年，國內(nèi)首家專業(yè)從事超寬禁帶半導(dǎo)體氧化鎵材料及其相關(guān)器件研發(fā)企業(yè)——北京鎵族科技有限公司，由北京首都科技發(fā)展集團(tuán)有限公司和北京順義科技創(chuàng)新集團(tuán)有限公司注資成立。

這些都將有力推動(dòng)我國氧化鎵基電力電子器件和探測器件的發(fā)展。