​发光学报|直接型卤素钙钛矿X射线探测器结构设计研究进展

▎导读

X射线探测技术在医疗诊断、安防检测和科学研究等领域有着广泛的应用，直接型X射线探测器拥有更高的理论探测效率、空间和能量分辨率，受到了国内外的广泛关注。钙钛矿材料因其X射线衰减系数大、体电阻率高、带隙合适以及易大面积制造等优势，成为直接型X射线探测器的理想材料。然而，常见的垂直型结构的钙钛矿X射线探测器存在电荷收集效率低、暗电流大等缺点，限制了X射线探测器探测性能的提升。因此，针对X射线探测器器件结构的设计与优化具有重要的研究意义。

近日，南京理工大学的李晓明教授等在《发光学报》（EI、Scopus、核心期刊）发表了题为“直接型卤素钙钛矿X射线探测器结构设计研究进展“的综述文章。

该综述从结构的角度出发，归纳总结了领域内近年来在直接型X射线探测领域的研究进展，并结合材料工程进行综合分析。首先介绍了三种常见的探测器电极配置类型，总结了各电极配置类型的性能参数和优势与不足。针对电极工程，分析了电极的选择对器件性能的影响，同时介绍了研究者通过能带工程对探测器优化的研究进展。最后，对现有的研究工作进行了总结，并指出阻碍钙钛矿在直接型X射线成像实际应用中的瓶颈，提出了从器件结构角度提高性能的一些展望。

▎引言

辐射探测技术在众多领域中的应用日益广泛，而直接型X射线探测器由于其高灵敏度、易于集成和优越的空间分辨率等优势备受关注。近年来，卤化物钙钛矿材料引起了研究人员的广泛兴趣，其高X射线衰减系数、高缺陷容忍度和可大面积制备等特点为辐射探测领域带来了新的希望。然而，现有的X射线探测器结构存在电荷收集效率低、暗电流水平大等缺点，限制了X射线探测器探测性能的提升。为了解决这些问题，研究者从器件结构的角度出发，通过设计合理的器件结构、电极类型和优化能带排布等策略，在同等吸收层材料水平下，实现了探测器性能的提高。但目前有关X射线探测器结构设计的报道仍较为零散，且缺少系统性的梳理。    

▎直接型卤素钙钛矿X射线探测器电极工程和能带工程

（1）电极工程。根据电极配置结构的不同，直接型钙钛矿辐射探测器通常分为三种类型：光电二极管型、光电导型和光电晶体管型，如图1所示。光电导型探测器的结构是两个金属电极夹着钙钛矿吸收层，吸收层材料与金属电极之间可以形成欧姆接触。光电导型结构是最简单的器件结构，它的两个电极可以在同一平面，也可以垂直配置。这种结构的优势在于电极与吸收层之间界面损耗很小，同时由于结构简单，易于在商业化的TFT阵列上集成。光电二极管型一般由两个金属电极夹着钙钛矿活性层构成，根据工作原理还可以细分为肖特基结型、PN结型和PIN结型。这种结构通过电极与吸收层材料的能级差异形成势垒，能够有效地截止反向电流，起到降低暗电流的效果。同时，在光电二极管探测器中产生的空穴电子对能够容易地分离并被电极收集，拥有较快的响应速度。然而，由于界面接触不良和表面缺陷复合等问题，光电二极管探测器存在外量子效率低的问题。

图1：光电二极管型、光电导型和光电晶体管型器件结构示意图

除了两电极配置的器件结构，直接型X射线探测器还存在三电极结构，如钙钛矿X射线晶体管探测器，它具有高灵敏度、高分辨率和低噪声等优点。它采用钙钛矿材料作为吸收层，在同一平面上配置了源极和漏极，并使用栅极调节导电沟道内的电导。这种结构拥有更大的增益系数，有利于放大光电流，提高信噪比。因此，光电晶体管型器件具有良好的X射线检测性能，可以检测到极低剂量率下的X射线。此外，它还具有低功耗、低成本和高可靠性等优点，可以满足多种应用需求。

除了使用非对称的不同金属电极组成光电二极管来抑制暗电流、提高收集效率外，电极的形状也是影响器件电学性能的一项重要因素。有报道表明使用几何形状不同的电极，可以影响器件内部的电场分布情况，进而影响载流子收集效率。合理的电极形状设计可以起到提高载流子收集效率，降低暗电流水平的效果。    

（2）能带工程。MSM（Metal-semiconductor-metal）型器件具有结构简单、方便制造等优势。但是其存在电荷收集效率低、离子迁移现象严重、电极界面反应和噪声信号过大等固有缺陷，严重限制了MSM器件的探测性能。为了解决这些问题，研究者通常采用引入传输层、阻挡层或异质结的方式来优化器件能带排布结构，提高探测器的电荷收集效率和稳定性，进而提高探测性能。通过在半导体材料和电极之间分别插入一层p型和n型传输层，可以减少界面反应并促进载流子的有效分离。同时，传输层的存在可以阻挡电荷的反向注入，抑制离子迁移现象，降低暗电流。

钙钛矿异质结通常由两种钙钛矿组成，由于二者性质的不同，在它们之间会形成内建电场，内建电场的存在可促进电荷分离并抑制器件中的噪声，进而提高器件的探测性能。不同维度的钙钛矿具有不同的光电特性，通过将电阻率大、稳定性好的2D钙钛矿和光电性能好的3D钙钛矿组合，可以实现兼具高灵敏度、低噪声水平和高稳定性的2D-3D异质结钙钛矿吸收层。通过将p型和n型两种钙钛矿结合可以组成pn结，pn结的存在可以促进载流子分离、提高载流子收集效率和降低暗电流水平。

▎总结与展望

尽管直接型钙钛矿X射线探测器领域取得了不错的进展，但是多数研究者将工作的重心放在了材料制备的调控与优化上，而很少有人注意到合理的结构设计也能为探测性能带来较大的提升。特别的，光电晶体管型器件有着不俗的增益系数，使其能在吸收层厚度有限的情况下，也能实现高灵敏度探测，跳出了器件探测性能的提高主要依赖于提高材料质量的传统思路，应该受到研究者的更多关注。此外，两层钙钛矿的结合可以获得异质结，通过设计两者的能带排列情况，能够实现促进载流子分离和收集、降低暗电流和提高稳定性的效果。另一方面，基于钙钛矿本身电学性能的器件结构优化，如插层结构、垂直叠层等结构，将进一步提高器件的灵敏度。总之，进一步关于器件结构的研究有望在无需高质量钙钛矿厚膜的情况下，实现器件的高灵敏度和低检测限。

▎论文信息

韩继光,柴英俊,李晓明.直接型卤素钙钛矿X射线探测器结构设计研究进展[J].发光学报,2024,45(01):25-43. DOI：10.37188/CJL.20230239. 

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

▎作者简介

李晓明，南京理工大学材料科学与工程学院教授，博士生导师，国家优秀青年基金获得者，主要研究方向为光电材料与器件及其在X射线探测成像等领域的应用。以第一和通讯（含共同）作者在Sci. Adv.，Nat.Commun., Adv. Mater.等国内外重要期刊发表论文50余篇，论文共被引用18000余次，其中引用超过1000次的有4篇，授权发明专利10余项，并实现成果转化。入选中国科协青年人才托举工程、江苏省333高层次人才培养工程等，获得江苏省科学技术奖一等奖、湖北省自然科学奖二等奖、江苏省高校科技奖一等奖等奖项，主持和参与国家自然科学基金联合基金重点项目、面上、青年基金，江苏省优秀青年基金等，入选科睿唯安/爱思唯尔全球/中国高被引学者。

韩继光，硕士研究生，2021年于南京理工大学获得学士学位，主要从事钙钛矿X射线探测方向的研究。