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(tuán)隊，中科院院士、西北工業(yè)大學(xué)教授黃維團(tuán)隊，以及深圳先進(jìn)院生物醫(yī)學(xué)與健康工程研究所生物醫(yī)學(xué)成像研究中心合作，首次將具有內(nèi)部信號增益效應(yīng)的異質(zhì)結(jié)光電晶體管用于X射線直接探測器，實現(xiàn)了超靈敏、超低輻射劑量、超高成像分辨的X射線直接探測。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(dāng)前，X射線直接探測器多采用反向偏置二極管結(jié)構(gòu)（圖1a）。這類器件普遍缺乏內(nèi)部信號增益效應(yīng)或增益較低，這意味著沒有足夠的信號補(bǔ)償方案來補(bǔ)充載流子復(fù)合過程中湮滅的電子-空穴對。因此，這類設(shè)備的光-電轉(zhuǎn)化效率較低，且需要使用高質(zhì)量和高度均勻的X射線光電導(dǎo)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(shè)定了難以突破的上限，也增加了材料、器件制備的復(fù)雜性和成本。

科研團(tuán)隊在前期研究的基礎(chǔ)上（Advanced Materials, 31,1900763,2019），提出異質(zhì)結(jié)X射線光電晶體管（Heterojunction X-ray Phototransistor）這一新型器件概念，首次將具有內(nèi)部信號增益效應(yīng)的異質(zhì)結(jié)光電晶體管引入X射線直接探測。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調(diào)控柵壓和入射光子進(jìn)行有效調(diào)制，從而結(jié)合了晶體管和光電導(dǎo)的綜合增益效應(yīng)，如圖1b所示。將這種高增益機(jī)制引入X射線探測器可以對光生電流進(jìn)行放大，并使外量子效率遠(yuǎn)超過100%，進(jìn)而實現(xiàn)超靈敏的X射線直接探測。本工作中，研究團(tuán)隊設(shè)計了由鈣鈦礦光電導(dǎo)材料與有機(jī)半導(dǎo)體溝道材料組成的異質(zhì)結(jié)光電晶體管，實現(xiàn)了高效的X射線吸收，獲得了快速的載流子再注入與循環(huán)，導(dǎo)致高效的載流子產(chǎn)生、輸運(yùn)與巨大的信號增益效應(yīng)，使X射線直接探測靈敏度達(dá)到109μCGyair-1cm-2（圖2c），最低可檢測劑量率低至1 nGyair s-1。同時，探測器具有較高的成像分辨率（圖2e）——X射線成像調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）在20%值下顯示每毫米11.2線對（lp mm-1），成像分辨率高于目前基于CsI:Tl的X射線探測器。

高增益異質(zhì)結(jié)X射線光電晶體管為高性能X射線直接探測與成像開辟了新機(jī)遇，并體現(xiàn)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，在醫(yī)學(xué)影像、工業(yè)檢測、安檢安防、科學(xué)設(shè)備等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。該成果將激發(fā)科研人員開發(fā)各種高增益器件以實現(xiàn)直接探測不同類型高能輻射的研究動力。

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。