中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院先進(jìn)材料科學(xué)與工程研究所材料界面研究中心副研究員李佳團隊，中科院院士、西北工業(yè)大學(xué)教授黃維團隊，以及深圳先進(jìn)院生物醫學(xué)與健康工程研究所生物醫學(xué)成像研究中心合作，首次將具有內部信號增益效應的異質(zhì)結光電晶體管用于X射線(xiàn)直接探測器，實(shí)現了超靈敏、超低輻射劑量、超高成像分辨的X射線(xiàn)直接探測。相關(guān)研究成果以Ultrathin and Ultrasensitive Direct X-ray Detector Based on Heterojunction Phototransistors為題，發(fā)表在Advanced Materials上。
當前，X射線(xiàn)直接探測器多采用反向偏置二極管結構（圖1a）。這類(lèi)器件普遍缺乏內部信號增益效應或增益較低，這意味著(zhù)沒(méi)有足夠的信號補償方案來(lái)補充載流子復合過(guò)程中湮滅的電子-空穴對。因此，這類(lèi)設備的光-電轉化效率較低，且需要使用高質(zhì)量和高度均勻的X射線(xiàn)光電導材料（Photoconductor）以保證有效的電子-空穴的產(chǎn)生和傳輸，這對探測器性能的進(jìn)一步提升設定了難以突破的上限，也增加了材料、器件制備的復雜性和成本。
科研團隊在前期研究的基礎上（Advanced Materials, 31, 1900763, 2019），提出異質(zhì)結X射線(xiàn)光電晶體管（Heterojunction X-ray Phototransistor）這一新型器件概念，首次將具有內部信號增益效應的異質(zhì)結光電晶體管引入X射線(xiàn)直接探測。光電晶體管是三電極型光電探測器，其溝道載流子密度可通過(guò)調控柵壓和入射光子進(jìn)行有效調制，從而結合了晶體管和光電導的綜合增益效應，如圖1b所示。將這種高增益機制引入X射線(xiàn)探測器可以對光生電流進(jìn)行放大，并使外量子效率遠超過(guò)100%，進(jìn)而實(shí)現超靈敏的X射線(xiàn)直接探測。本工作中，研究團隊設計了由鈣鈦礦光電導材料與有機半導體溝道材料組成的異質(zhì)結光電晶體管，實(shí)現了高效的X射線(xiàn)吸收，獲得了快速的載流子再注入與循環(huán)，導致高效的載流子產(chǎn)生、輸運與巨大的信號增益效應，使X射線(xiàn)直接探測靈敏度達到109μCGyair-1cm-2（圖2c），最低可檢測劑量率低至1 nGyair s-1。同時(shí)，探測器具有較高的成像分辨率（圖2e）——X射線(xiàn)成像調制傳遞函數（MTF）在20%值下顯示每毫米11.2線(xiàn)對（lp mm-1），成像分辨率高于目前基于CsI:Tl的X射線(xiàn)探測器。
高增益異質(zhì)結X射線(xiàn)光電晶體管為高性能X射線(xiàn)直接探測與成像開(kāi)辟了新機遇，并體現出超靈敏、超低檢測限、高成像分辨率、輕量、柔性（圖2d）、低成本等優(yōu)點(diǎn)，在醫學(xué)影像、工業(yè)檢測、安檢安防、科學(xué)設備等領(lǐng)域具有廣闊的應用前景。該成果將激發(fā)科研人員開(kāi)發(fā)各種高增益器件以實(shí)現直接探測不同類(lèi)型高能輻射的研究動(dòng)力。
研究工作得到國家自然科學(xué)基金、深圳市科技計劃等的資助。
