▎導讀

X射線探測技術在醫療診斷、安防檢測和科學研究等領域有著廣泛的應用，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，受到了國內外的廣泛關注。鈣鈦礦材料因其X射線衰減系數大、體電阻率高、帶隙合適以及易大面積制造等優勢，成為直接型X射線探測器的理想材料。然而，常見的垂直型結構的鈣鈦礦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射線探測器器件結構的設計與優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《發光學報》（EI、Scopus、核心期刊）發表了題為“直接型鹵素鈣鈦礦X射線探測器結構設計研究進展“的綜述文章。

該綜述從結構的角度出發，歸納總結了領域內近年來在直接型X射線探測領域的研究進展，并結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，總結了各電極配置類型的性能參數和優勢與不足。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化的研究進展。最后，對現有的研究工作進行了總結，并指出阻礙鈣鈦礦在直接型X射線成像實際應用中的瓶頸，提出了從器件結構角度提高性能的一些展望。

▎引言

輻射探測技術在眾多領域中的應用日益廣泛，而直接型X射線探測器由于其高靈敏度、易于集成和優越的空間分辨率等優勢備受關注。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、高缺陷容忍度和可大面積制備等特點為輻射探測領域帶來了新的希望。然而，現有的X射線探測器結構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，研究者從器件結構的角度出發，通過設計合理的器件結構、電極類型和優化能帶排布等策略，在同等吸收層材料水平下，實現了探測器性能的提高。但目前有關X射線探測器結構設計的報道仍較為零散，且缺少系統性的梳理。    

▎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。根據電極配置結構的不同，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、光電導型和光電晶體管型，如圖1所示。光電導型探測器的結構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。光電導型結構是最簡單的器件結構，它的兩個電極可以在同一平面，也可以垂直配置。這種結構的優勢在于電極與吸收層之間界面損耗很小，同時由于結構簡單，易于在商業化的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成，根據工作原理還可以細分為肖特基結型、PN結型和PIN結型。這種結構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，擁有較快的響應速度。然而，由于界面接觸不良和表面缺陷復合等問題，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、光電導型和光電晶體管型器件結構示意圖

除了兩電極配置的器件結構，直接型X射線探測器還存在三電極結構，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，并使用柵極調節導電溝道內的電導。這種結構擁有更大的增益系數，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點，可以滿足多種應用需求。

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）型器件具有結構簡單、方便制造等優勢。但是其存在電荷收集效率低、離子遷移現象嚴重、電極界面反應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、阻擋層或異質結的方式來優化器件能帶排布結構，提高探測器的電荷收集效率和穩定性，進而提高探測性能。通過在半導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，抑制離子遷移現象，降低暗電流。

鈣鈦礦異質結通常由兩種鈣鈦礦組成，由于二者性質的不同，在它們之間會形成內建電場，內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，可以實現兼具高靈敏度、低噪聲水平和高穩定性的2D-3D異質結鈣鈦礦吸收層。通過將p型和n型兩種鈣鈦礦結合可以組成pn結，pn結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。

▎總結與展望

盡管直接型鈣鈦礦X射線探測器領域取得了不錯的進展，但是多數研究者將工作的重心放在了材料制備的調控與優化上，而很少有人注意到合理的結構設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，使其能在吸收層厚度有限的情況下，也能實現高靈敏度探測，跳出了器件探測性能的提高主要依賴于提高材料質量的傳統思路，應該受到研究者的更多關注。此外，兩層鈣鈦礦的結合可以獲得異質結，通過設計兩者的能帶排列情況，能夠實現促進載流子分離和收集、降低暗電流和提高穩定性的效果。另一方面，基于鈣鈦礦本身電學性能的器件結構優化，如插層結構、垂直疊層等結構，將進一步提高器件的靈敏度。總之，進一步關于器件結構的研究有望在無需高質量鈣鈦礦厚膜的情況下，實現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射線探測器結構設計研究進展[J].發光學報,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，博士生導師，國家優秀青年基金獲得者，主要研究方向為光電材料與器件及其在X射線探測成像等領域的應用。以第一和通訊（含共同）作者在Sci. Adv.，Nat.Commun., Adv. Mater.等國內外重要期刊發表論文50余篇，論文共被引用18000余次，其中引用超過1000次的有4篇，授權發明專利10余項，并實現成果轉化。入選中國科協青年人才托舉工程、江蘇省333高層次人才培養工程等，獲得江蘇省科學技術獎一等獎、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合基金重點項目、面上、青年基金，江蘇省優秀青年基金等，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。