本文介绍了第三代半导体的相关性质、辐射探测器主要制备方法以及不同类型辐射探测器的研究进展，展望了第三代半导体在辐射探测方面的发展趋势。提出第三代半导体辐射探测器的出现必然会促进核科学、空间探测、粒子及高能物理等方面的研究，对于国家提升核心竞争力具有重要的推动作用。
近年来，随着核聚变反应堆芯、高能物理研究、深空探测等极端环境对探测器的抗辐照、耐高温性能的强烈需求，第三代半导体辐射探测器成为研究热点。
探测器的一个重要指标是抗辐照能力。第三代半导体材料较Si材料具有更大的位移阈能、更宽的带隙，具有天然的抗辐照、耐高温的优势。
此外，第三代半导体的发光器件、电力电子器件研究有了巨大的进步，这些进步带动了材料晶体质量与器件工艺的提高，使它在辐射探测器方面的应用潜力也逐渐显现。
SiC辐射探测器的研究
SiC材料的基本性质
SiC晶体有200多种异构体，最常见的为3C-SiC、4H-SiC(应用最广泛)、6H-SiC。
SiC在室温下具有禁带宽度大、良好的抗辐射能力，具有极高的击穿电场强，使得器件能够耐高压及耐高电流密度;较大的饱和电子迁移速率可以提高探测器的电荷响应速度;具有较高的热传导和良好的散热性质，化学性质稳定;器件具有电阻率高、暗电流小等特性。
SiC能够获得较大的晶体尺寸、相对较低的单晶价格以及更好的晶体质量，是第三代半导体中研究最为深入的探测器。
SiC辐射探测器主要研究进展
SiC材料最初是在19世纪被发现的，当时需要通过冶炼产生，而SiC带电粒子探测器的研究可以追溯到20世纪50年代，1957年就有关于SiC中子探测器的报道。
到20世纪90年代后期，人们开展了大量卓有成效的研究工作，显著减少了SiC晶体生长过程中产生的缺陷(如位错、微管等)，同时可控掺杂工艺也获得显著提高，使得高性能SiC器件制造技术得到飞跃式发展。
此外，在核物理实验的重带粒子鉴别;激光等离子体实验中质子束的监测、核聚变中α粒子诊断等方面也具有重要应用。近几年，还出现了一些复杂结构的SiC探测器。
中子探测技术在空间辐射环境探测、违禁品检测、科学实验、医学、军事及工业等众多领域有着广泛的应用前景。SiC较Si具有更强的耐辐照能力，SiC中的12C和28Si可与快中子反应释放α粒子，α粒子与SiC作用产生电子-空穴对，实现对快中子探测。
由于SiC探测器采用了外延技术，灵敏区较薄，只能探测低能χ和γ射线，要想实现高能射线探测，采用的体单晶质量还有待提高，能谱测试较难。尽管如此，在同步辐射中，SiC探测器在X射线能量探测及束流监测等方面仍得以应用。
近年来，我国开始大力扶持半导体产业，第三代半导体产业有了快速发展，在SiC衬底材料及其外延薄膜生长技术、器件制备工艺和辐照效应等方面取得很大进展，与国外SiC探测器的研究差距在逐步缩小，在某些方面甚至领先于国外。
SiC辐射探测器发展中的问题
SiC的外延片已经可以满足质量要求，但是受外延厚度所限，对于高能重粒子、χ和γ射线还很难满足厚度要求。
对于SiC单晶，随着晶体质量的提高也可扩展探测器的应用范围。
另外，随着器件工艺的发展，可用于超快探测的3D结构以及用于高效中子探测的微结构SiC探测器也成为必然需求。
这些研究势必促进SiC探测器在高注量下超快辐射测试、近核监测、空间核反应堆电源的中子监测、核聚变、自由电子激光等领域的快速应用。
GaN辐射探测器研究
GaN材料的基本性质
GaN是一种直接带隙半导体，热力学稳定相为六角纤锌矿结构。
GaN薄膜生长的最大困难是缺乏足够大尺寸的单晶作为同质外延衬底，因此通常生长在异质衬底上，但仍会存在高位错密度。
而在GaN生长前添加薄的AlN成核层可以在一定程度上缓解晶格失配，该方法至今仍被广泛应用于GaN薄膜的商业化生产。
目前，GaN薄膜生长技术包括金属有机化学气相沉积(MOCVD)和分子束外延(MBE)。
MBE具有工艺控制精确、生长温度低、工作压力低等优点，但由于MBE的GaN生长速度相对较慢，且运行成本较高，大多局限于实验室研究。
在MOCVD中，采用侧向外延生长技术(ELOG)可以制备高质量的GaN薄膜，而MOCVD的高产量也决定了它目前在商业大规模GaN外延生长中的广泛应用。
氢化物气相外延技术(HVPE)由于其高生长速率而成为生产GaN晶体的主要技术，但此方法很难实现薄膜的可控生长与掺杂，较少用于制备GaN薄膜器件。
GaN中通常存在3种类型的穿透位错(TD)，即刃型、螺型和混合型。
有报道称穿透位错通常起库仑散射中心的作用，从而降低载流子迁移率，增加电阻，影响高电子迁移率晶体管(HEMT)的性能，但不影响GaN辐射探测器的性能。
然而，螺位错和含有螺位错成分的混合位错作为电流泄漏路径，一般是增加探测反向泄漏电流的主要原因。
此外，螺位错会被多余的Ga原子或掺杂剂填充，导致带隙中产生额外的能态。
因此，较厚的GaN外延层和较低的TD密度对制备性能较好的GaN辐射探测器至关重要。
GaN辐射探测器主要研究进展
GaN具有较强的耐辐照特性。
GaNα粒子探测器通常基于薄膜双肖特基结构、薄膜肖特基结构、薄膜p-i-n结构和体GaN肖特基结构这4种器件结构。
目前，在薄膜型双肖特基结构GaN探测器、薄膜GaN肖特基结构探测器、薄膜型pin结构探测器、体单晶肖特基结构探测器、X射线探测器、GaN中子探测器、辐照损伤测试等方面均取得了一定的进展。
GaN辐射探测器发展中的问题
目前，GaN异质外延技术灵敏区厚度为20 μm，具有成本低、与GaN器件工艺兼容的特点，适合大规模产业化生产。
由于具有较强的耐辐照性能，SiC应用的场合理论上GaN也都可以使用。
但GaN辐射探测器还存在以下问题：
1)利用MOCVD生长外延的GaN薄膜比较薄，使得高能粒子或者射线不能将能量完全沉积到灵敏区内，无法实现有效的能量探测。
2)GaN背景载流子浓度过高，无法形成较宽的耗尽区，粒子和射线无法在耗尽区损失更多能量而电离出更多的电子-空穴对。
3)GaN材料缺陷密度过大，难以实现大面积探测器件。若将器件面积提升，反向电流变大，经过放大器的信号将被噪声严重干扰，无法准确地分辨、分离探测器的能量。
金刚石辐射探测器
金刚石材料基本性质
金刚石晶胞是由2个面心立方布拉伐晶格嵌套形成的复杂晶格，晶格结合较强，化学性质稳定，具有较强的抗辐射能力。
金刚石在高温、强辐射等极端环境中具有巨大的应用前景，金刚石探测器可用于粒子识别、辐射探测、位置探测、粒子能量实时监测等。
金刚石材料分为天然金刚石和人造金刚石。
金刚石是间接带隙半导体，根据杂质含量的不同，又分为Ia(以天然金刚石居多)、Ib(主要为人工合成金刚石)、IIa(可作为探测器候选材料)和IIb(良好的高温半导体材料)4种类型。
金刚石有着优异的物理与化学性质，在光学、电子、微波、辐射探测中被广泛应用。
金刚石具有高载流子迁移率，使其做成的辐射探测器具有更快的脉冲响应及更短的脉冲波长下降沿;高的电阻率大大改善了漏电流，致使暗电流变小。
器件可以在500℃、甚至更高的温度工作;金刚石材料内部杂质和缺陷很低，使得载流子具有很高的寿命。
天然金刚石的数目稀缺，价格昂贵，因此人们用一系列合成方法研制出人造金刚石来代替天然金刚石，例如高温高压法(HTHP)、热丝化学气相沉积法(HFCVD)、微波等离子化学气相沉积法(MPCVD)等。
其中MPCVD以生长速度快、晶体尺寸大、质量高成为探测器级金刚石的首选制备方法。
金刚石辐射探测器主要研究进展
金刚石具有极强的耐辐照特性，是首个被应用于辐射探测的半导体材料，但由于单晶质量及尺寸的限制，应用领域较窄。
20世纪60年代，第一颗人造金刚石被合成，但应用范围并不大。
20世纪90年代后CVD合成金刚石在辐照探测器研究方面开始流行，在大型强子对撞机(LHC)上应用CVD金刚石进行辐照研究获得巨大进步，使这方面的研究正式拉开帷幕。
1995年出现关于使用金刚石探测器探测核聚变的报道;1999年首次将金刚石探测器应用于重离子测量实验;2015年单晶金刚石应用于核聚变的裂片探测……
金刚石辐射探测器发展中的问题
金刚石核辐射探测器具有良好的能量分辨率;线性度好，在大能量范围内，脉冲信号振幅与入射粒子能量成正比;密度较高，具有较高的探测效率;脉冲响应时间快;可在真空环境工作，对外磁场敏感度低;可以在较高温度下工作，耐腐蚀，性能稳定;抗辐照能力高，适合中子的测量;具有较长的寿命，适合强辐射环境粒子测试，并具有功耗低、体积小、精度高等优点。
目前面临以下问题：
1)金刚石探测器尺寸小且材料内部缺陷高。目前还很难制备出大于1 cm×1 cm面积的探测器，另外内部存在的缺陷会作为电荷俘获中心，导致电荷收集距离较短、电荷收集效率下降。
2)全能量范围探测问题。金刚石探测器对于能量低区难以进行探测，可采取多层金刚石膜结构设计外加神经网络算法，将能量探测范围扩大。
结论
半导体探测器要求材料具有低缺陷、低非故意掺杂的载流子浓度、大尺寸均匀性及良好的器件兼容性，第三代半导体探测器从材料、器件设计及工艺、性能表征等方面还有很大的发展潜力，正向着耐高温(大于175℃)、耐辐照、超快、超高分辨位置探测、高效中子探测领域发展，并在众多场景中实现了应用。
此外，一些新型的第三代半导体材料近年来也展现出良好的发展潜力，如更宽带隙的AlN、BN等材料。
随着研究的不断深入，第三代半导体辐射探测器的出现必然会促进核科学、空间探测、粒子及高能物理等方面的研究，对于国家提升核心竞争力具有重要的推动作用。
