西电-中科院团队新成果：航天级封装单晶金刚石辐射探测器 - 新闻通知中关村天合宽禁带半导体技术创新联盟

随着深空探测任务的快速发展，人类探测范围正从近地轨道扩展至月球、火星、木星及太阳附近等极端空间环境。这些区域辐射强度高、温度剧烈波动（温差可超120℃），对粒子探测器的辐射硬度、高温稳定性和长期可靠性提出了严苛要求。

传统硅基半导体探测器因窄禁带（1.12 eV）特性，在强辐射和高温度下漏电流急剧上升、晶体损伤严重，性能在60℃以上快速退化，已难以满足长寿命深空任务需求。金刚石作为宽禁带半导体（5.47 eV）、高热导率（~2200 W/m·K）和优异辐射硬度的材料，被认为是深空粒子探测的理想替代方案。

近日，西安电子科技大学郝跃院士张进成教授团队与中国科学院国家空间科学中心团队单位合作，基于Ti/Pt/Au复合电极结构和航天级封装材料，成功研制出高性能单晶金刚石辐射探测器，显著提升了电极键合可靠性、辐射耐受性和高温工作稳定性，为突破传统探测器在深空环境下的性能瓶颈提供了创新技术路径。

研究成果以“A Space Particle Diamond Detector Based on A Ti/Pt/Au Composite Electrode Structure and Aerospace-grade Packaging Materials”为题，发表在IEEE Sensors Journal。

针对传统金刚石探测器电极附着力差、金丝键合强度低以及封装后敏感区受阻、难以多芯片堆叠等问题，团队创新设计了Ti/Pt/Au（TPA）三层复合电极结构，并在航天级FR4材料上采用通孔封装方案。金刚石芯片采用西电大学MPCVD生长的探测级高纯单晶CVD金刚石（尺寸4.5 mm × 4.5 mm × 500 μm），电极面积3.8 mm × 3.8 mm。电极制备工艺包括：表面Ar/O₂等离子体氧终端化、磁控溅射沉积Ti（20 nm）/Pt（30 nm）/Au（300 nm）、800℃氮气氛围退火5分钟，以及非电极区二次氧终端化。该复合结构利用Ti形成碳化物实现强机械附着，Pt阻挡扩散和氧化，Au提供优良键合面和抗腐蚀能力，彻底解决了传统氢终端纯金电极的空洞、剥离和键合强度低等问题。测试显示，25 μm金丝键合一次性成功率达100%，平均拉拔强度9.8 g，远优于纯金电极。

封装采用航天级FR4多层板（外尺寸20 mm × 20 mm × 3 mm），中心通孔设计使金刚石芯片前后敏感面完全暴露，确保空间粒子无阻挡穿过活性区，同时支持多芯片堆叠或与后端传感器集成，提升了任务适应性和系统扩展性。

团队制定了完整的空间资格测试方案，包括结构检查、键合拉拔、I-V特性、α粒子谱响应，以及振动、真空热循环（-50℃~+55℃）、高温老化（65℃）、极端γ辐照（Co-60，总剂量10,000 krad）和150℃高温测试。结果显示：

200 V偏压下，电荷收集效率（CCE）>90%（最高95%），能量分辨率优于2%（部分接近1%）；
高温老化后，250 V偏压下暗电流稳定在<50 pA，远低于硅探测器的nA级；
10,000 krad γ辐照后性能不退化反而略提升（能量分辨率从1.6%改善至1.3%，CCE从91.96%升至92.48%，暗电流显著降低），辐照可能修复晶格缺陷；
高温测试表明，在120℃以下暗电流和CCE基本稳定，120℃时暗电流约1 nA，整体仍保持优异性能，满足月球及深空温变需求。

上述结果表明，Ti/Pt/Au复合电极金刚石探测器在保持高探测性能的同时，具备极强的空间环境适应性，能够在高辐射、高温变和长寿命任务中稳定工作，在深空粒子（带电粒子、中子等）探测领域展现出广阔应用前景。该工作克服了传统硅基探测器的环境局限，推动了金刚石探测器从实验室向工程化、空间载荷应用的实质性跨越，为我国未来月球、火星、木星等深空探测任务提供了关键器件支撑。

图文解析