德州大学开发出半导体测量灵敏度提升10万倍的新技术

UT（德州大学，University of Texas）研究人员开发出一种半导体测量新技术，这项技术的灵敏度比以往测量技术提升了10万倍。

UT电气与计算机工程专业的研究生Sukrith Dev与UT中红外光学研究小组的电气与计算机工程副教授Daniel Wasserman共同完成了该研究。

比起现有技术，该项新测量技术的优势在于小尺寸表征材料的能力得到显著增强，这将加速二维、微尺寸和纳米尺寸材料的发现和研究。特别是在电子和光学器件尺寸不断缩小的大趋势下，实现精确测量小尺寸半导体材料特性将有助于工程师确定材料的应用范围。

Dev认为：“新技术可以提升大家对红外传感器技术的认识，并为夜视、自由空间通信开辟出有前景的新方向！本质上，我们的新技术可以更灵敏地获取一种叫做载流子寿命（carrier lifetime）的材料特性，这将有助于确定材料质量并确定其潜在应用。”

光电材料中电子保持“光激发”状态或产生电信号的时间长短，是该材料在光电检测应用中潜在质量的可靠指标。目前用于测量光激发电子载流子动力学或寿命的方法，成本高、复杂且精度有限。

Dev进一步解释道：“当某些半导体材料受到光照时，电子会被激发并暂时自由。载流子寿命是指这些自由电子在重新结合到各自位置之前保持激发的时间。载流子寿命是重要的材料参数，它是体现材料整体光学质量的重要指标，同时它也决定了某种材料用于光电探测器的应用范围。例如，如果想提升通信能力，就需要载流子寿命相当短的材料。如果想要如热成像等灵敏度非常高的器件，那就需要载流子寿命很长的材料。”

Dev和Wasserman的策略较为独特，他们使用光信号来调制微波信号，这与传统测试方法正相反。

Dev说：“传统测试方法的问题在于，必须收集光且其辐射能力真的很差。但由于我们将微波限制在很小的脉冲容量内，因此我们的技术可以使它更加灵敏。”

Dev认为：“有了这项技术，未来可以开发出更灵敏的红外传感器。同时，这项技术可能有助于自由空间通信或带宽的提升，并为电磁学和固体物理学的研究开辟新领域。”

UT电气工程专业大二学生Mihir Shah表达了他对半导体和固态物理领域的热情。Shah说：“我认为，如今 探索 用于计算的新领域比以往任何时候都更加重要。我很愿意在光子集成电路领域做些研究，以便看到在如今电子生态系统中有更多光子系统的应用。”

UT电气工程专业大二学生Jaime Tan Leon则认为，电子领域的研究将越来越重要。Tan Leon说：“电气工程师在解决问题中发挥着关键作用。对工程师来说，现在研究提升灵敏度和质量的新想法对未来非常重要。”

化合物半导体探测器是六十年代快速发展的新型核辐射探测器件之一。室温化合物半导体探测器是区别于P-N结型探测器、锂漂移型探测器、高纯锗核探测器等的一种特殊类型半导体核探测器。

室温核辐射探测的化合物半导体材料应当具备以下的特征：

(1)组成材料的元素应具有较高的原子序数，以此确保该材料对γ射线较高的阻止本领，以保证其具有较高的探测效率；

(2)材料应具有较大的禁带宽度，一般大于1.5eV，以保证探测器工作在室温时有较低的漏电流和较高的电阻率；

(3)材料应具有良好的工艺性能，较容易制得高纯度、低晶格缺陷的单晶体。此外材料应具有优良的机械性能和化学稳定性，以便于进行机械加工，容易制成欧姆接触或势垒接触；

(4)材料应具有优异的物理性能，可以耐较高的反向偏压(反向偏压能达到几百伏)，反向漏电流尽可能小，载流子的迁移率-寿命积要大，以确保探测器具有较小的热噪声和良好的能量分辨率。

室温核辐射半导体探测器是以大尺寸的高质量的化合物半导体晶体材料(碘化汞、锑化铝、碲化镉、碲锌镉、碘化铅、砷化镓、硒化镉等)的研制为主体，涉及到材料制备、器件设计和器件制备等关键技术。1967年，Prince和Polishuk第一次列出了碲化镉、磷化镓和硒化镉三种可以制作室温核探测材料的材料。20世纪70年代初美国开始对碘化汞展开了研究，碘化汞晶体具有较高的禁带宽度和电阻率，但是其化学稳定性较差，且常温下容易挥发潮解，制成的探测器必须进行严格的密封处理。与此同时，1977年，Armantrout等人通过对比几种最有前途的室温半导体核探测材料，最有希望的是锑化铝材料，但是该材料的单晶极难生长且极易潮解。Eberhardt等人利用液相外延生长技术得到了高完整性能砷化镓单晶，最先成功制造出有较好能量分辨率的伽马射线探测器，但是由于其原子序数较低，对于高能射线的阻止本领和探测效率都较低，发展受到了限制。但是碲化镉探测器的优点在于有较大的原子序数，对伽马射线有较高的阻止本领，探测效率较高，但有较大的热激发产生的漏电流，能量分辨率

低且有极化效应。由于碲化镉晶体的上述缺点，人们在碲化镉晶体中掺入锌，使其带宽增加，而发展成了一种新的材料。碲锌镉材料用于常温半导体探测器最早可追溯到1967年，但直到20世纪90年代初，生产工艺的提高才得以大大改善了碲锌镉晶体的特性，研究得到了实质性进展。随着锌含量的不同，禁带宽度由近红外至绿光波段连续变化，且无极化现象。但是碲锌镉存在两个主要缺点：能量分辨率不高；由于生长工艺的复杂性，高质量大尺寸的碲锌镉很难获得。

用于制作核辐射探测器的材料还有碲化锌、硫化铯、碘化铟、硒化稼等化合物半导体材料，人们对这些材料及其探测器还没有进行深入的研究。

现今，国内四川大学、清华大学、上海大学、兰州大学、重庆大学、西北工业大学、中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所、中国原子能科学研究院核技术应用研究所、中国科学院长春光学精密机械与物理研究所以及燕山大学(与美国伊利诺伊大学合作)等单位开始在国家自然科学基金或其他课题资助下进行了一系列化合物半导体单晶(如碘化铅、碘化汞、碲锌镉、氮化镓、碘化铟等)的生长、性能和核探测器应用的研究工作。

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