来源：中科院深圳先进院
中国科学院深圳先进技术研究院先进材料科学与工程研究所材料界面研究中心（简称：材料界面研究中心，Materials Interfaces Center, MIC）副研究员李佳团队，中科院院士、西北工业大学教授黄维团队，以及深圳先进院生物医学与健康工程研究所（简称：医工所）生物医学成像研究中心合作，首次将具有内部信号增益效应的异质结光电晶体管用于X射线直接探测器，实现了超灵敏、超低辐射剂量、超高成像分辨的X射线直接探测。
注：中科院深圳先进院材料界面研究中心成立于2016年，主要面向面向信息、能源和健康产业，解决材料界面科学问题，发展先进制造技术。该中心以多学科交叉融合、产学研协同创新为特色，形成“科学-工程-产业”的全链条创新体系。该中心汇聚多学科领域科研人员100多人，包括院士/国家级人才3人，省部市级人才30多人；先后培养了博士/硕士研究生50多人。
中科院深圳先进院医工所成立于2007年，是中国科学院规模最大的生物医学与健康工程领域的研究单元之一，致力于高分辨、多模态高端医学成像技术与设备研发，医疗机器人等创新医疗器械的研制，以及低成本健康及康复工程技术集成。通过建立享誉国际的生物医学与健康工程的科学研究和人才培养基地，瞄准世界生物医学工程学科科技前沿和健康医疗国家重大需求，实现医学成像、医学电子信息、生物传感、纳米医学、生物力学、生化检验和生物材料等关键技术的突破，推动临床医学技术现代化进程和医疗器械产业迅速发展。
当前，X射线直接探测器多采用反向偏置二极管结构。这类器件普遍缺乏内部信号增益效应或增益较低，这意味着没有足够的信号补偿方案来补充载流子复合过程中湮灭的电子-空穴对。因此，这类设备的光-电转化效率较低，且需要使用高质量和高度均匀的X射线光电导材料以保证有效的电子-空穴的产生和传输，这对探测器性能的进一步提升设定了难以突破的上限，也增加了材料、器件制备的复杂性和成本。
图1 a. 传统X射线探测器中，间接探测（左）使用闪烁体材料与光电二极管可见光探测器相互集成，X射线通过闪烁体材料转换为可见光，可见光由光电二极管探测器探测；直接探测（右）使用如非晶硒等半导体材料，半导体吸收X射线后直接产生电子-孔穴对，在半导体材料上施加高电场，分离和收集电子-空穴对；b. X射线光电晶体管结构，异质结中电子-空穴对产生。
科研团队在前期研究的基础上，提出异质结X射线光电晶体管这一新型器件概念，首次将具有内部信号增益效应的异质结光电晶体管引入X射线直接探测。光电晶体管是三电极型光电探测器，其沟道载流子密度可通过调控栅压和入射光子进行有效调制，从而结合了晶体管和光电导的综合增益效应，如图1b所示。将这种高增益机制引入X射线探测器可以对光生电流进行放大，并使外量子效率远超过100%，进而实现超灵敏的X射线直接探测。本工作中，研究团队设计了由钙钛矿光电导材料与有机半导体沟道材料组成的异质结光电晶体管，实现了高效的X射线吸收，获得了快速的载流子再注入与循环，导致高效的载流子产生、输运与巨大的信号增益效应，使X射线直接探测灵敏度达到10⁹μCGyair⁻¹cm⁻²（图2c），最低可检测剂量率低至1 nGyair s⁻¹。同时，探测器具有较高的成像分辨率（图2e）——X射线成像调制传递函数（MTF）在20%值下显示每毫米11.2线对（lp mm⁻¹），成像分辨率高于目前基于CsI:Tl的X射线探测器。
图2 a. X射线光电晶体管器件结构；b. X射线探测的时间响应；c. X射线辐照下探测器灵敏度随栅压的变化关系；d. 柔性X射线光电晶体管器件；e. 金属光栅的光学显微照片（上）与X射线成像图（下），scale-bar为200微米；f. X射线光电晶体管的MTF曲线。
高增益异质结X射线光电晶体管为高性能X射线直接探测与成像开辟了新机遇，并体现出超灵敏、超低检测限、高成像分辨率、轻量、柔性、低成本等优点，在医学影像、工业检测、安检安防、科学设备等领域具有广阔的应用前景。该成果将激发科研人员开发各种高增益器件以实现直接探测不同类型高能辐射的研究动力。
上述相关研究成果以Ultrathin and Ultrasensitive Direct X-ray Detector Based on Heterojunction Phototransistors为题，发表在先进材料《Advanced Materials》上。
论文链接：
https://doi.org/10.1002/adma.202101717
关于李佳
李佳，1998–2005年先后获得西北工业大学应用物理学学士、材料物理与化学硕士；2005-2009年获得香港中文大学物理学博士学位；2009-2012年任东京大学特任研究员；2012-2013年伦敦大学国王学院博士后；2013年-2016年任香港纳米及先进材料研发院助理技术经理；2016年至今在中国科学院深圳先进技术研究院工作，担任副研究员/博士生导师。研究方向：1. 纳米光子学(表面等离激元光子学、超材料）；2. 微纳光电器件（有机/钙钛矿光电器件、微纳光子学器件集成等）。
延伸阅读：
《新兴图像传感器技术、应用及市场-2021版》
《传感应用的VCSEL技术及市场-2021版》
《激光雷达产业及核心元器件-2020版》
《飞行时间（ToF）传感器技术及应用-2020版》
