中國科大在鈣鈦礦軟X射線探測器件領域取得重要進展

近日，中國科學技術(shù)大學微電子學院胡芹特任研究員課題組在鈣鈦礦軟X射線探測器研究中取得新進展。團隊基于鈣鈦礦半導體薄膜缺陷調(diào)控和PIN垂直型器件結(jié)構(gòu)設計策略，實現(xiàn)了目前鈣鈦礦軟X射線探測器中的最高量子效率。相關成果以“Flexible Soft X-Ray Image Sensors based on Metal Halide Perovskites With High Quantum Efficiency”為題發(fā)表于國際知名期刊《Advanced Materials》上，并被選為卷首插圖（圖1）。

圖1. 《Advanced Materials》論文卷首插圖

自1895年被首次發(fā)現(xiàn)以來，X射線已經(jīng)被廣泛應用于醫(yī)療診斷、工業(yè)探傷、安防安檢等各個重要領域，其中X射線面陣探測器是X射線成像設備中的關鍵部件。而針對軟X射線波段（0.1-10 keV）的探測成像技術(shù)在現(xiàn)代科學研究中則扮演著至關重要的角色，其應用范圍涵蓋了天文觀測、生物成像、微納加工等多個領域。隨著我國深空探測技術(shù)和同步輻射大科學裝置的不斷發(fā)展迭代，對高可靠性、高性能的軟X射線探測器提出了更高要求。當前軟X射線圖像傳感器市場主要由國外廠商主導的硅基CCD（Charge-coupled Device）器件占據(jù)，因此亟需開發(fā)具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的新型軟X射線探測技術(shù)。此外，硅對軟X射線吸收率較低，導致硅基CCD器件在靈敏度、耐輻照性方面受限，且工作時需冷卻至低溫導致成本較高。鈣鈦礦半導體具有X射線吸收系數(shù)大、載流子壽命積高、制備成本低等突出優(yōu)勢，在軟X射線探測方面具有巨大潛力。但目前關于鈣鈦礦軟X射線探測器的研究還相對較少，且其在量子效率等關鍵性能參數(shù)距離理論值還有較大差距。

針對上述問題，研究團隊首先針對軟X射線特點，結(jié)合光場分布模擬，優(yōu)化了鈣鈦礦PIN垂直型光電二極管結(jié)構(gòu)，最大化增加鈣鈦礦活性層的光吸收（圖2）。特別的，采用納米網(wǎng)絡電極，使軟X射線可以通過多尺度電極網(wǎng)絡被活性層吸收，減輕了上電極遮擋的同時不降低載流子的提取和傳輸。其次，研發(fā)團隊構(gòu)筑了多維鈣鈦礦異質(zhì)結(jié)，降低鈣鈦礦半導體薄膜缺陷，減小載流子復合的同時降低器件暗電流，提高光電響應。最終該器件在室溫下達到目前已知報道的鈣鈦礦軟X射線探測器中的最高量子效率。各項性能參數(shù)接近硅基商業(yè)化器件水平，且在基于同步輻射線站的高通量軟X射線輻照下依然保持良好的穩(wěn)定性?；谠摳咝阅芷骷Y(jié)構(gòu)，團隊還成功在柔性基底上制備了軟X射線探測器，并實現(xiàn)了曲面線性成像陣列。最后，針對空間探測等極端環(huán)境應用需求，團隊驗證了鈣鈦礦器件在10-383 K極限溫度范圍內(nèi)的工作穩(wěn)定性。以上研究證明了鈣鈦礦半導體光電器件在新一代適應復雜光學系統(tǒng)的柔性軟X射線成像探測系統(tǒng)中的應用潛力。

圖2. a. 軟X射線成像系統(tǒng)以及鈣鈦礦軟X射線探測器結(jié)構(gòu)示意圖；b. Si與鈣鈦礦在軟X射線波段的衰減長度對比，鈣鈦礦具有較短且較平穩(wěn)的衰減長度；c. 納米網(wǎng)絡電極的掃描電子顯微圖像；d. 多維鈣鈦礦異質(zhì)結(jié)器件能帶圖；e.構(gòu)筑多維鈣鈦礦異質(zhì)結(jié)前后器件性能對比；f. 鈣鈦礦軟X射線探測器在高通量X射線的長時間照射下保持較好的穩(wěn)定性。