近日，南京大学科研团队在软 X 射线检测技术领域取得重要突破。相关重要研究成果“4H-SiC-based soft X-ray single photon detector with linear photon energy response”发表于国际知名期刊《Chinese Optics Letters》。论文的通信作者为南京大学的Weizong Xu和Hai Lu。由南京大学电子科学与工程学院、极端性能光电器件与系统教育部重点实验室以及先进微结构协同创新中心等组成的研究团队，成功研发出一种基于 4H - SiC 的软 X 射线单光子探测器，该探测器具有线性光子能量响应能力。

图1. (a) 4H-SiC p-i-n探测器的示意图。(b) 封装后器件的照片。(c) 探测器在室温下的暗电流-电压（I-V）特性。(d) 探测器在室温下的电容-电压（C-V）特性。

1.研究背景

软X射线检测的重要性与现状：软X射线（0.5 - 10 keV）检测在医疗成像、核安全检查、太空探索和材料分析等领域至关重要。传统检测系统主要基于气体电离探测器和闪烁探测器，随着需求增长，半导体基软X射线检测技术发展迅速。硅基探测器虽主导市场，但因其带隙较低（1.12 eV）和阈值位移能量（~15 eV）限制，存在热载流子泄漏和辐射诱导退化问题，在恶劣环境应用受限。 

宽带隙半导体的优势与挑战：宽带隙半导体（如SiC、GaN和金刚石）因宽带隙和抗辐射优势，成为辐射检测技术发展的新动力。SiC技术发展成熟，具有低背景载流子浓度（~10¹⁴ cm⁻³）和可达100 μm厚外延层等优点，有望用于软X射线单光子检测。然而，SiC基软X射线探测器，尤其是具有光子能量分辨率的单光子探测器，尚处于起步阶段。其面临的挑战包括制作需约100 μm厚外延层、高光生载流子收集率和超低暗电流的SiC探测器，以及针对极微弱光电信号处理的外围放大电子学系统开发。

图2. (a) 电阻-电容反馈式电荷灵敏放大器（CSA）电路示意图。(b) 复位式CSA电路示意图。AMP表示放大器。

图3. 由于探测器泄漏电流和有源开关开启导致的电容器上的时域电压变化。

2.研究内容

器件制备：制作了具有80 μm厚吸收层和低本征掺杂的p - i - n型4H - SiC软X射线探测器。在n⁺型4H - SiC衬底上，通过化学气相沉积（CVD）技术生长外延层，包括0.3 μm厚的Al掺杂p⁺层、80 μm厚的轻掺杂i层和10 μm厚的重掺杂n⁺层 。经过台面蚀刻、热氧化、钝化层生长、接触窗口打开、金属蒸发和快速热退火等一系列工艺，完成器件制作。最后将探测器安装在带有Be窗口的TO - 8管座上并进行金线键合。 

结果与讨论：该探测器在 - 180 V偏压下暗电流极低，约为1.8 pA，且随反向偏压增加暗电流增加不明显。通过C - V特性曲线计算出轻掺杂i层的掺杂浓度约为5×10¹³ cm⁻³，较低的掺杂浓度使80 μm吸收层在120 V的低工作电压下即可实现完全耗尽，器件的低电容（低于5 pF）和低泄漏电流保证了单光子检测的低电子噪声性能 。在电荷灵敏放大器（CSA）电路中引入由电压比较器、脉冲发生器和复位二极管组成的有源复位开关，替代传统反馈电阻。该开关在电容电压低于比较器阈值时保持关断，高电阻可降低热噪声；达到阈值时导通，快速释放电容电荷使电路复位。由于开关有效电阻可达1 GΩ以上，对信号耦合和放大影响可忽略不计。探测器泄漏电流低，在设定电压比较器阈值为 - 2.25 V时，电路工作时间与复位时间比约为70,000 : 1，死时间可忽略，有效工作时间占比高 。使用具有特征能量5.89 keV的Mn靶激发的软X射线单光子入射，探测器产生约180 mV幅度的脉冲电压，脉冲上升沿在160 ns内，电子学放大倍数为30.56 mV/keV，系统响应速度快，有利于软X射线光子的到达时间（TOA）测量。利用模数转换器（ADC）模块对大量入射光子的脉冲高度进行统计分析，通过调整脉冲整形单元的整形时间优化能量分辨率。对于5.89 keV的Mn靶，6.4 μs整形时间下能量分辨率低至0.78 keV，对应光子能量分析的标准偏差为5.7%。使用Ti、Mn、Ni、Ge和Y等一系列金属靶，发现脉冲高度分布的中心值与特征能量呈近理想线性关系，线性度误差低于0.5%，实现了具有光子能量分辨率和良好线性度的软X射线检测。 

图4. 具有5.89 keV特征能量的单个软X射线光子入射所产生的瞬态输出信号。

图5. (a) 5.89 keV（特征能量）下的半高宽（FWHM）与脉冲整形单元整形时间的关系。(b) 4H-SiC软X射线单光子探测器在不同特征能量下的能量分辨率。

3. 研究总结：成功制备了室温下具有线性能量响应性能的4H - SiC软X射线单光子探测器，其基于超低室温泄漏的4H - SiC探测器制作以及CSA电路中反馈电容电荷释放的有源开关引入。详细探索并展示了4H - SiC软X射线探测器的器件制备技术、放大电子学策略和光子分析的整形时间要求，为基于宽带隙半导体的先进软X射线检测技术发展奠定基础。未来，4H - SiC基软X射线检测技术需进一步优化电子学噪声性能，降低探测器暗电流并抑制弹道亏损效应，以拓展应用范围。

该成果不仅为软 X 射线检测技术提供了新的解决方案，还为基于宽带隙半导体的先进检测技术发展开辟了新方向。未来，研究团队计划进一步优化探测器的性能，降低电子学噪声，减少暗电流，以推动 4H - SiC 基软 X 射线检测技术在更多领域的广泛应用。