▎導(dǎo)讀

X射線探測技術(shù)在醫(yī)療診斷、安防檢測和科學研究等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，直接型X射線探測器擁有更高的理論探測效率、空間和能量分辨率，受到了國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。鈣鈦礦材料因其X射線衰減系數(shù)大、體電阻率高、帶隙合適以及易大面積制造等優(yōu)勢，成為直接型X射線探測器的理想材料。然而，常見的垂直型結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦X射線探測器存在電荷收集效率低、暗電流大等缺點，限制了X射線探測器探測性能的提升。因此，針對X射線探測器器件結(jié)構(gòu)的設(shè)計與優(yōu)化具有重要的研究意義。

近日，南京理工大學的李曉明教授等在《發(fā)光學報》（EI、Scopus、核心期刊）發(fā)表了題為“直接型鹵素鈣鈦礦X射線探測器結(jié)構(gòu)設(shè)計研究進展“的綜述文章。

該綜述從結(jié)構(gòu)的角度出發(fā)，歸納總結(jié)了領(lǐng)域內(nèi)近年來在直接型X射線探測領(lǐng)域的研究進展，并結(jié)合材料工程進行綜合分析。首先介紹了三種常見的探測器電極配置類型，總結(jié)了各電極配置類型的性能參數(shù)和優(yōu)勢與不足。針對電極工程，分析了電極的選擇對器件性能的影響，同時介紹了研究者通過能帶工程對探測器優(yōu)化的研究進展。最后，對現(xiàn)有的研究工作進行了總結(jié)，并指出阻礙鈣鈦礦在直接型X射線成像實際應(yīng)用中的瓶頸，提出了從器件結(jié)構(gòu)角度提高性能的一些展望。

▎引言

輻射探測技術(shù)在眾多領(lǐng)域中的應(yīng)用日益廣泛，而直接型X射線探測器由于其高靈敏度、易于集成和優(yōu)越的空間分辨率等優(yōu)勢備受關(guān)注。近年來，鹵化物鈣鈦礦材料引起了研究人員的廣泛興趣，其高X射線衰減系數(shù)、高缺陷容忍度和可大面積制備等特點為輻射探測領(lǐng)域帶來了新的希望。然而，現(xiàn)有的X射線探測器結(jié)構(gòu)存在電荷收集效率低、暗電流水平大等缺點，限制了X射線探測器探測性能的提升。為了解決這些問題，研究者從器件結(jié)構(gòu)的角度出發(fā)，通過設(shè)計合理的器件結(jié)構(gòu)、電極類型和優(yōu)化能帶排布等策略，在同等吸收層材料水平下，實現(xiàn)了探測器性能的提高。但目前有關(guān)X射線探測器結(jié)構(gòu)設(shè)計的報道仍較為零散，且缺少系統(tǒng)性的梳理。    

▎直接型鹵素鈣鈦礦X射線探測器電極工程和能帶工程

（1）電極工程。根據(jù)電極配置結(jié)構(gòu)的不同，直接型鈣鈦礦輻射探測器通常分為三種類型：光電二極管型、光電導(dǎo)型和光電晶體管型，如圖1所示。光電導(dǎo)型探測器的結(jié)構(gòu)是兩個金屬電極夾著鈣鈦礦吸收層，吸收層材料與金屬電極之間可以形成歐姆接觸。光電導(dǎo)型結(jié)構(gòu)是最簡單的器件結(jié)構(gòu)，它的兩個電極可以在同一平面，也可以垂直配置。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢在于電極與吸收層之間界面損耗很小，同時由于結(jié)構(gòu)簡單，易于在商業(yè)化的TFT陣列上集成。光電二極管型一般由兩個金屬電極夾著鈣鈦礦活性層構(gòu)成，根據(jù)工作原理還可以細分為肖特基結(jié)型、PN結(jié)型和PIN結(jié)型。這種結(jié)構(gòu)通過電極與吸收層材料的能級差異形成勢壘，能夠有效地截止反向電流，起到降低暗電流的效果。同時，在光電二極管探測器中產(chǎn)生的空穴電子對能夠容易地分離并被電極收集，擁有較快的響應(yīng)速度。然而，由于界面接觸不良和表面缺陷復(fù)合等問題，光電二極管探測器存在外量子效率低的問題。

圖1：光電二極管型、光電導(dǎo)型和光電晶體管型器件結(jié)構(gòu)示意圖

除了兩電極配置的器件結(jié)構(gòu)，直接型X射線探測器還存在三電極結(jié)構(gòu)，如鈣鈦礦X射線晶體管探測器，它具有高靈敏度、高分辨率和低噪聲等優(yōu)點。它采用鈣鈦礦材料作為吸收層，在同一平面上配置了源極和漏極，并使用柵極調(diào)節(jié)導(dǎo)電溝道內(nèi)的電導(dǎo)。這種結(jié)構(gòu)擁有更大的增益系數(shù)，有利于放大光電流，提高信噪比。因此，光電晶體管型器件具有良好的X射線檢測性能，可以檢測到極低劑量率下的X射線。此外，它還具有低功耗、低成本和高可靠性等優(yōu)點，可以滿足多種應(yīng)用需求。

除了使用非對稱的不同金屬電極組成光電二極管來抑制暗電流、提高收集效率外，電極的形狀也是影響器件電學性能的一項重要因素。有報道表明使用幾何形狀不同的電極，可以影響器件內(nèi)部的電場分布情況，進而影響載流子收集效率。合理的電極形狀設(shè)計可以起到提高載流子收集效率，降低暗電流水平的效果。    

（2）能帶工程。MSM（Metal-semiconductor-metal）型器件具有結(jié)構(gòu)簡單、方便制造等優(yōu)勢。但是其存在電荷收集效率低、離子遷移現(xiàn)象嚴重、電極界面反應(yīng)和噪聲信號過大等固有缺陷，嚴重限制了MSM器件的探測性能。為了解決這些問題，研究者通常采用引入傳輸層、阻擋層或異質(zhì)結(jié)的方式來優(yōu)化器件能帶排布結(jié)構(gòu)，提高探測器的電荷收集效率和穩(wěn)定性，進而提高探測性能。通過在半導(dǎo)體材料和電極之間分別插入一層p型和n型傳輸層，可以減少界面反應(yīng)并促進載流子的有效分離。同時，傳輸層的存在可以阻擋電荷的反向注入，抑制離子遷移現(xiàn)象，降低暗電流。

鈣鈦礦異質(zhì)結(jié)通常由兩種鈣鈦礦組成，由于二者性質(zhì)的不同，在它們之間會形成內(nèi)建電場，內(nèi)建電場的存在可促進電荷分離并抑制器件中的噪聲，進而提高器件的探測性能。不同維度的鈣鈦礦具有不同的光電特性，通過將電阻率大、穩(wěn)定性好的2D鈣鈦礦和光電性能好的3D鈣鈦礦組合，可以實現(xiàn)兼具高靈敏度、低噪聲水平和高穩(wěn)定性的2D-3D異質(zhì)結(jié)鈣鈦礦吸收層。通過將p型和n型兩種鈣鈦礦結(jié)合可以組成pn結(jié)，pn結(jié)的存在可以促進載流子分離、提高載流子收集效率和降低暗電流水平。

▎總結(jié)與展望

盡管直接型鈣鈦礦X射線探測器領(lǐng)域取得了不錯的進展，但是多數(shù)研究者將工作的重心放在了材料制備的調(diào)控與優(yōu)化上，而很少有人注意到合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計也能為探測性能帶來較大的提升。特別的，光電晶體管型器件有著不俗的增益系數(shù)，使其能在吸收層厚度有限的情況下，也能實現(xiàn)高靈敏度探測，跳出了器件探測性能的提高主要依賴于提高材料質(zhì)量的傳統(tǒng)思路，應(yīng)該受到研究者的更多關(guān)注。此外，兩層鈣鈦礦的結(jié)合可以獲得異質(zhì)結(jié)，通過設(shè)計兩者的能帶排列情況，能夠?qū)崿F(xiàn)促進載流子分離和收集、降低暗電流和提高穩(wěn)定性的效果。另一方面，基于鈣鈦礦本身電學性能的器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化，如插層結(jié)構(gòu)、垂直疊層等結(jié)構(gòu)，將進一步提高器件的靈敏度。總之，進一步關(guān)于器件結(jié)構(gòu)的研究有望在無需高質(zhì)量鈣鈦礦厚膜的情況下，實現(xiàn)器件的高靈敏度和低檢測限。

▎論文信息

韓繼光,柴英俊,李曉明.直接型鹵素鈣鈦礦X射線探測器結(jié)構(gòu)設(shè)計研究進展[J].發(fā)光學報,2024,45(01):25-43. DOI：10.37188/CJL.20230239. 

https://cjl.lightpublishing.cn/zh/article/doi/10.37188/CJL.20230239/

▎作者簡介

李曉明，南京理工大學材料科學與工程學院教授，博士生導(dǎo)師，國家優(yōu)秀青年基金獲得者，主要研究方向為光電材料與器件及其在X射線探測成像等領(lǐng)域的應(yīng)用。以第一和通訊（含共同）作者在Sci. Adv.，Nat.Commun., Adv. Mater.等國內(nèi)外重要期刊發(fā)表論文50余篇，論文共被引用18000余次，其中引用超過1000次的有4篇，授權(quán)發(fā)明專利10余項，并實現(xiàn)成果轉(zhuǎn)化。入選中國科協(xié)青年人才托舉工程、江蘇省333高層次人才培養(yǎng)工程等，獲得江蘇省科學技術(shù)獎一等獎、湖北省自然科學獎二等獎、江蘇省高校科技獎一等獎等獎項，主持和參與國家自然科學基金聯(lián)合基金重點項目、面上、青年基金，江蘇省優(yōu)秀青年基金等，入選科睿唯安/愛思唯爾全球/中國高被引學者。

韓繼光，碩士研究生，2021年于南京理工大學獲得學士學位，主要從事鈣鈦礦X射線探測方向的研究。