金剛石探測器具有體積小、抗輻照能力強、時間響應快等優點，在核輻射領域應用優勢顯著。目前高質量單晶金剛石材料制備技術是制約金剛石探測器大規模應用的瓶頸問題，金剛石核輻射探測器的探測性能受金剛石內部雜質與缺陷影響顯著。

       《人工晶體學報》2022年第5期發表了來自北京科技大學新材料技術研究院李成明研究員團隊的綜述“CVD人造金剛石核輻射探測器研究進展”（第一作者牟戀希，通信作者劉金龍、李成明），作者從探測器級CVD金剛石材料入手，首先介紹了CVD金剛石中常見的雜質與缺陷，然后闡述了微波等離子體化學氣相沉積（MPCVD）合成金剛石工藝過程中由雜質引起的點缺陷和由表面加工技術引入的線缺陷的抑制方法。隨后歸納總結了面向探測器應用的高質量金剛石雜質和缺陷的表征方法，并基于金剛石核輻射探測器的核心參數，探討了金剛石中的雜質與缺陷對核輻射探測器響應性能的影響規律。最后介紹了國外金剛石核輻射探測器的應用現狀并展望了國內金剛石核輻射探測器的發展前景。

文章導讀

       快中子反應堆、白光中子束線和磁約束核聚變等裝置的快中子監測需要探測器具有耐輻照、快響應和耐高溫等特點，金剛石探測器是可以滿足以上要求的少數幾種探測器之一。化學氣相沉積（CVD）是目前主流的一種人造金剛石制備方法，利用該方法，研究人員已能制備出較大尺寸（2~4英寸）的CVD多晶金剛石，但由于晶界的存在，多晶金剛石的電學性能仍遠不能與單晶金剛石相比。當前國內外商用及研究用金剛石核輻射探測器，多采用元素六公司生產的“電子級”單晶金剛石，對于如何制備與表征“電子級”單晶金剛石，以及材料與探測器性能的復雜關聯等問題尚未形成系統的結論。

       1、CVD金剛石中的雜質與缺陷

       核輻射探測器對于金剛石材料的質量要求很高。通常制備的異質外延金剛石薄膜的位錯密度相對較高，異質外延單晶金剛石的位錯密度與金剛石膜的生長厚度有關，生長較厚的金剛石位錯密度可降至106~107 cm?2，但仍然高于其他類型的金剛石，同質外延單晶金剛石的位錯密度與高溫高壓（HPHT）籽晶的位錯密度密切相關。與高溫高壓單晶金剛石相比，CVD金剛石具有更少的雜質，但在合成過程中可能引入高密度的位錯。在CVD單晶金剛石中，由等離子體引入的常見雜質有氮和硅。雜質進入到金剛石的晶格中形成點缺陷，在金剛石的能帶結構中形成雜質能級，雜質能級會影響金剛石中載流子的躍遷，進而影響金剛石的電學性能。主要線缺陷是同質外延生長過程中遺傳襯底中的位錯以及由表面加工和生長引入的位錯，位錯破壞了金剛石內部的周期性勢場，使得周圍臨近鍵的波函數在位錯處發生交疊，形成一維半填充帶。位錯將和聚集在附近的雜質原子一起在禁帶中引入深能級，這些深能級和點缺陷引起的深能級一樣，會作為復合中心俘獲載流子，顯著降低載流子壽命。層錯是晶體學面、孿晶界和晶界中的一種無序現象，屬于面缺陷，目前關于層錯面缺陷對金剛石探測器性能影響的研究仍較少。

       2、高質量單晶金剛石的合成與表征

       2.1　高質量單晶金剛石的合成

       高質量單晶金剛石的合成包括超高純度生長（如低的雜質濃度）和高結晶質量（如低位錯密度）生長兩方面。MPCVD法因具有等離子體密度高、無放電電極污染、控制性好等優點，被認為是制備高質量金剛石的首選方法。用于同質外延生長CVD金剛石的籽晶質量的優劣對制備高品質單晶金剛石具有較大影響。籽晶材料缺陷一般存在本征缺陷和表面加工帶來的損傷缺陷兩類，可通過晶種篩選和表面刻蝕來提高籽晶質量。同時，在單晶金剛石的生長過程中，生長氣體的純度對于高質量金剛石的生長也有重要影響，可以通過增加過濾裝置來提高用于生長氣體的純度，以獲得高質量的金剛石。

       2.2　高質量金剛石中雜質與缺陷的表征技術

       除拉曼光譜可用于表征金剛石的晶體質量外，有關CVD金剛石的表征手段可以分成用于雜質分析的表征手段和用于位錯分析的表征手段。用于雜質分析的手段可以采用光譜、質譜以及磁共振等，其中光譜方法通常有光致發光光譜（PL）、紅外光譜、紫外-可見-近紅外吸收光譜（UV–Vis-NIR）等，分別表征金剛石中氮空位雜質、鍵合氮等。采用高分辨X射線衍射（HRXRD）搖擺曲線模式和白光形貌術可以分別表征金剛石中位錯的含量和分布。當位錯密度低于106 /cm2時，根據X射線衍射峰半峰全寬擬合計算晶體平均位錯密度的方法得到的結果將不準確，此時通常用白光形貌術直接觀察，或者等離子體刻蝕數位錯露頭的方法確定位錯密度。常規高質量單晶CVD金剛石的表征結果如圖1所示。同時光致發光光譜的定量計算可以基于光致發光峰與金剛石本征峰強度的比值計算氮空位含量。

       二次離子質譜（SIMS）、電子順磁共振（EPR）等表征技術可以定量計算金剛石中所含雜質。圖2所示為元素六和北京科技大學制備的高質量單晶金剛石EPR測試結果，N

       3、金剛石核輻射探測器研究現狀

       3.1　金剛石核輻射探測器的原理

       金剛石核輻射探測器的原理與其他半導體核輻射探測器類似，其原理示意圖如圖3所示。當粒子穿過金剛石時將釋放能量，沿著帶電粒子的軌道產生電子-空穴對。在外加電場的作用下，這些載流子開始向電極漂移，產生可以被檢測的信號。電壓被施加在幾百微米厚的金剛石層上，當帶電粒子穿過金剛石時，晶格位點中的原子被電離，促進電子進入導帶，并在價帶中留下空穴。

       暗電流、能量分辨率、電荷收集率的高低是評估金剛石探測器好壞的重要指標。高性能的金剛石探測器一般具有低的暗電流、低的能量分辨率、高的電荷收集效率、對信號的快速響應，以及良好的時間穩定性和溫度穩定性。圖4為金剛石探測器的結構、測試系統以及性能測試的結果。

       3.2　金剛石核輻射探測器的研究進展

       國外對于金剛石探測器的研究較為領先，實現了對α粒子、β粒子、γ粒子、X射線、離子、中子等的探測，對于241Am α粒子的4種不同能量（5.389 MeV、5.443 MeV、5.486 MeV和5.545 MeV），能量分辨率可以達到0.4%,電子和空穴的電荷收集效率高于97%，甚至達到100%。國內對于金剛石探測器的研究主要集中于對于金剛石材料和器件結構的研究，相關研究單位主要有武漢大學、北京科技大學、西安電子科技大學、西安交通大學、鄭州大學、中國科學院半導體研究所、哈爾濱工業大學等。本文將國內外關于金剛石輻射探測器的主要研究單位及其成果匯總于表1。

       3.3　高溫、高核輻射下金剛石探測器的性能

       金剛石具有最高的熱導率、超寬的禁帶間隙，在高溫和高核輻射下的應用更具前景。對于α粒子，單晶CVD金剛石探測器在溫度為453 K時，探測器的能量分辨率仍具有穩定性。Andreo Crnjac等采用元素六公司生產的電子級金剛石，制備了結構為鎢(200 nm)/金剛石(65 μm)/鎢(200 nm)的金剛石探測器并進行高溫、高核輻射下金剛石探測器的性能測試，其結果如圖5所示。

       3.4　金剛石核輻射探測器的應用

       隨著金剛石材料質量的提高，金剛石核輻射探測器取得了顯著的發展。金剛石核輻射探測器不僅在高能物理、核聚變領域得到了應用，并且可以擴展應用于醫療、空間核輻射等領域。放射治療是治療癌癥的重要手段，它需要精確的劑量學來測量幾平方毫米區域內的高劑量梯度，以確保劑量準確地傳遞到健康組織周圍的靶區。

       歐洲核子研究中心（CERN）將金剛石探測器用為歐洲核子研究中心LHC的跟蹤探測器，其示意圖如圖6所示。在國際熱核聚變實驗堆（ITER）項目中，安裝了一個金剛石輻射探測器作為徑向中子相機，用于測量聚變等離子體中的未碰撞中子通量，提供中子發射率剖面和強度信息。在國內，金剛石探測器應用于散裂中子源進行中子監測試驗，實現了對中子脈沖的能量監測。CLaRyS研究組正在開發瞬時伽馬射線（PG）檢測系統，該檢測系統擬采用單晶金剛石作為探測器。

結語與展望

       隨著人工合成金剛石技術的進步，金剛石核輻射探測器取得了顯著的發展。國外的核輻射探測器在大型裝置如離子對撞機、磁約束核聚變等裝置中均得到了應用，此外還擴展到醫療、空間核輻射領域。相比而言，國內金剛石核輻射探測器仍以國外進口為主，需要盡快解決高質量單晶金剛石的合成與探測器應用等問題。從科學層面，有關金剛石材料本征性質對實用探測器的影響規律仍需進一步系統化，特別是造成器件退化的極化效應仍需澄清，高質量金剛石的表征技術體系也需建立。目前國內各單位在科學大裝置發展中也逐步開展金剛石核輻射探測器研制，相信會盡快取得突破并實現國產化。

       論文題錄

       牟戀希,曾翰森,朱肖華,屠菊萍,劉金龍,陳良賢,魏俊俊,李成明,歐陽曉平.CVD人造金剛石核輻射探測器研究進展[J].人工晶體學報,2022,51(5):814-829.

       MU Lianxi, ZENG Hansen, ZHU Xiaohua, TU Juping, LIU Jinlong, CHEN Liangxian, WEI Junjun, LI Chengming, OUYANG Xiaoping. Research Progress of Nuclear Radiation Detectors with CVD Synthetic Diamond[J]. Journal of Synthetic Crystals, 2022, 51(5): 814-829.

       通信作者

       劉金龍，北京科技大學新材料技術研究院副研究員、碩士生導師。兼任《人工晶體學報》《表面技術》《金剛石與磨料磨具工程》等期刊青年編委。主要研究方向為功能碳材料制備與應用研究。承擔科技部、國家自然科學基金委、國防科工局等部門國家級項目。開展了包括高質量單晶金剛石生長、探測器應用、金剛石微波功率器件、多晶金剛石微波窗口、X射線窗口等研究工作。榮獲教育部技術發明一等獎、北京市科學技術三等獎。

       李成明，北京科技大學教授，主要從事CVD金剛石膜與CVD金剛石單晶制備及其功能應用研究。先后主持和參與國家重大專項(子項目)、國家重點研發計劃、國際政府間合作項目歐洲地平線計劃2020、國家“863”計劃、國家“973”計劃、國家自然科學基金等項目30多項。發表學術論文300余篇，授權國家發明專利70余項。主持研究的金剛石擴熱板應用于北斗衛星系列，獲得2019年教育部技術發明一等獎。獲得其他省部級獎3項。