六方氮化镓热释光剂量特性研究：从陷阱参数到辐射剂量学应用

《Radiation Physics and Chemistry》：Thermoluminescence Study of Hexagonal GaN for Dosimetric Applications

本文系统评估了六方氮化镓（h-GaN）晶圆的热释光（TL）特性，通过剂量响应、加热速率、信号衰退和重复性测试验证其辐射剂量学潜力。研究发现在12 Gy-18.4 kGy剂量范围内存在双线性响应区，主TL峰在210°C表现出卓越稳定性，变加热速率法测得活化能1.25 eV。该材料在八次循环测试中TL曲线面积和峰强度的标准偏差分别低至2.25%和2.61%，证实其陷阱中心的稳定性，为宽禁带半导体在医疗剂量计领域的应用提供新思路。

　　

^亮点

^材料

本研究所用晶圆为金属有机化学气相沉积（MOCVD）法制备的薄膜，呈现哑光灰色泽并带有金属陶瓷质感。MOCVD是制备高质量外延膜的最常用技术。原始样品为直径约2英寸（5.08厘米）的圆形晶圆，使用50W Raycus光纤激光器（波长1064nm）切割出4×4×0.35mm³的试样。

^实验方法

本研究涵盖四项关键测试：剂量响应、加热速率、重复性和信号衰退，同时应用数学方法计算动力学参数。每次辐照前对晶圆进行本底信号测量并扣除。剂量响应测试以0.043Gy/s的速率连续辐照获得12Gy至18.4kGy的梯度剂量，TL读数在1°C/s升温速率下进行。

^剂量响应

GaN晶圆在12Gy至18.4kGy剂量范围内辐照后以1°C/s速率从室温升至400°C。如图3所示，所有剂量阶段均观察到210°C处的优势TL峰，而150°C处的次级TL峰仅在超过2.3kGy剂量时出现。TL曲线下面积呈现两个线性响应区（图4）：第一线性区（12-288Gy）斜率0.9977，第二线性区（2.3-18.4kGy）斜率0.9984，表明多重陷阱填充机制。

^讨论

剂量响应实验中150°C峰仅在高剂量出现提示附加陷阱能级激活。双线性响应区符合多陷阱TL模型，决定系数R²均高于0.997证实线性关系。加热速率实验显示主峰向234°C偏移符合热释放动力学理论。信号衰退测试中72Gy剂量下480小时内TL强度损失可忽略，证实电荷陷阱的深层特性。重复性测试2.25%-2.61%的偏差值优于许多商业剂量计。CGCD分析获得1.98%的优值（FOM），VHR法验证活化能（1.25eV）与频率因子（8.6×10¹¹s^-1）的可靠性。

^结论

本研究全面评估了宽禁带半导体GaN的热释光特性，其210°C主峰在不同剂量、升温速率和存储时间下均保持稳定，八次循环测试标准偏差<3%，证实材料优异的重复性和陷阱中心稳定性。动力学参数与VHR验证结果一致，表明GaN在辐射剂量学领域具有应用潜力，尤其适用于高剂量医疗放射场景。