Детектирование излучения с использованием полупроводников с широкой и сверхширокой запрещённой зоной: основы работы детекторов и сравнительные характеристики 4H-SiC, GaN и β-Ga₂O₃

Аннотация

Полупроводниковые материалы с широкой и сверхширокой запрещённой зоной привлекают всё больше внимания для применения в радиационных детекторах для систем ядерной энергетики и других сред с высоким уровнем радиации. Такие материалы обладают рядом преимуществ, включая высокую электрическую прочность, низкий ток утечки и способность работать при повышенных температурах. В данном обзоре рассматривается современное состояние исследований в области радиационных детекторов на основе 4H-SiC, GaN и β-Ga₂O₃, с особым акцентом на влияние внутренних свойств полупроводниковых материалов на характеристики детекторов. Наиболее важными параметрами для детекторов являются эффективность сбора заряда, энергетическое разрешение, ток утечки, термическая стабильность и дрейф сигнала.

         Среди этих материалов наиболее развитым является 4H-SiC, для которого накоплена значительная экспериментальная база по детектированию заряженных частиц и нейтронов, включая детекторы с использованием конвертеров, а также работу при повышенных температурах. GaN также демонстрирует значительный потенциал, особенно для детекторов Шоттки и вертикальных структур, предназначенных для регистрации заряженных частиц. Однако его характеристики часто существенно зависят от качества интерфейса. β-Ga₂O₃, как сравнительно новый полупроводник со сверхширокой запрещённой зоной, рассматривается как перспективный материал для рентгеновских детекторов и эксплуатации в экстремальных условиях. Тем не менее, многие вопросы, связанные с его устойчивостью к радиационным повреждениям и восстановлением после облучения, в настоящее время остаются предметом исследований.

         Цель данного обзора — сравнить эти три системы материалов с единой точки зрения, выявив их текущие возможности, а также наиболее перспективные области применения. Добавлены раздел сравнительного анализа и раздел перспектив для определения ключевых направлений будущих исследований, особенно в области стандартизированного бенчмаркинга, оптимизации устройств с учётом дефектов, а также создания более надёжных детекторов для ядерной энергетики и эксплуатации в жёстких условиях.