深圳先進(jìn)院等開發(fā)出基于光電晶體管架構(gòu)的超靈敏X射線直接探測器
中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院（簡稱“深圳先進(jìn)院”）材料所材料界面研究中心李佳副研究員團隊與西北工業(yè)大學(xué)黃維院士團隊、深圳先進(jìn)院醫(yī)工所生物醫(yī)學(xué)成像研究中心合作，首次將具有內(nèi)部信號增益效應(yīng)的異質(zhì)結(jié)光電晶體管用于X射線直接探測器，實現(xiàn)了超靈敏、超低輻射劑量、超高成像分辨的X射線直接探測。相關(guān)成果以Ultrathin and Ultrasensitive Direct X-ray Detector Based on Heterojunction Phototransistors為題發(fā)表于Advanced Materials。深圳先進(jìn)院材料界面中心研究助理高源鴻是論文第一作者，高源鴻、李佳和黃維是論文共同通訊作者。
當(dāng)前X射線直接探測器大多采用反向偏置二極管結(jié)構(gòu)（圖1a）。這類器件普遍缺乏內(nèi)部信號增益效應(yīng)或者增益較低，這意味著沒有足夠的信號補償方案來補充載流子復(fù)合過程中湮滅的電子-空穴對。因此，這類設(shè)備的光-電轉(zhuǎn)化效率較低，并且需要使用高質(zhì)量和高度均勻的X射線光電導(dǎo)材料(Photoconductor)以保證有效的電子-空穴的產(chǎn)生和傳輸，這不僅為探測器性能的進(jìn)一步提升設(shè)定了難以突破的上限，也增加了材料、器件制備的復(fù)雜性和成本。
研究團隊在前期研究的基礎(chǔ)上(Advanced Materials,31,1900763,2019)，提出異質(zhì)結(jié) X 射線光電晶體管(Heterojunction X-ray Phototransistor)這一新型器件概念，首次將具有內(nèi)部信號增益效應(yīng)的異質(zhì)結(jié)光電晶體管引入X射線直接探測。光電晶體管是一種三電極型光電探測器，其溝道載流子密度可以通過調(diào)控柵壓和入射光子進(jìn)行有效調(diào)制，從而結(jié)合了晶體管和光電導(dǎo)的綜合增益效應(yīng)，如圖1b所示。將這種高增益機制引入X射線探測器可以為光生電子或空穴提供巨大的內(nèi)部信號放大，并使外量子效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過100%，從而實現(xiàn)超靈敏的X射線直接探測。在這一工作中，研究團隊設(shè)計了由鈣鈦礦光電導(dǎo)材料與有機半導(dǎo)體溝道材料組成的異質(zhì)結(jié)光電晶體管，不僅實現(xiàn)了高效的X射線吸收，也獲得了快速的載流子再注入與循環(huán)，導(dǎo)致高效的載流子產(chǎn)生、輸運與巨大的信號增益效應(yīng)，使得X射線直接探測靈敏度達(dá)到109μCGyair-1cm-2（圖2c），最低可檢測劑量率低至1 nGyair s-1。同時，探測器也具有較高的成像分辨率（圖2e）——X射線成像調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)在20% 值下顯示每毫米11.2線對(lp mm-1)，成像分辨率遠(yuǎn)高于目前商用基于CsI:Tl的X射線探測器。
高增益異質(zhì)結(jié)X射線光電晶體管為高性能X射線直接探測與成像開辟了新機遇，同時提供了超靈敏、超低檢測限、高成像分辨率、輕量、柔性(圖2d)、低成本等優(yōu)點，在醫(yī)學(xué)影像、工業(yè)檢測、安檢安防、科學(xué)設(shè)備等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。這一工作也將激發(fā)研究者們開發(fā)各種高增益器件實現(xiàn)對不同類型高能輻射進(jìn)行直接探測的研究興趣。
該工作得到了國家自然科學(xué)基金，深圳市科技計劃等項目資助。
圖1(a)傳統(tǒng)X射線探測器中，間接探測(左)使用閃爍體材料與光電二極管可見光探測器相互集成，X射線通過閃爍體材料轉(zhuǎn)換為可見光，可見光由光電二極管探測器探測；直接探測(右)使用諸如非晶硒等半導(dǎo)體材料，半導(dǎo)體吸收X射線后直接產(chǎn)生電子-孔穴對，在半導(dǎo)體材料上施加高電場，分離和收集電子-空穴對； (b)X射線光電晶體管結(jié)構(gòu)，異質(zhì)結(jié)中電子-空穴對產(chǎn)生(1)，分離(2)，電子捕獲/空穴注入(3)和空穴再循環(huán)(4)產(chǎn)生高增益效應(yīng)的過程圖示
圖2(a) X射線光電晶體管器件結(jié)構(gòu)；(b)X射線探測的時間響應(yīng)；(c) X射線輻照下探測器靈敏度隨柵壓的變化關(guān)系；(d)柔性X射線光電晶體管器件； (e)金屬光柵的光學(xué)顯微照片(上)與X射線成像圖(下)，scale-bar為200微米；(f) X射線光電晶體管的MTF曲線
