一种基于钙钛矿雪崩管的高灵敏度探测结构及制备方法技术

本发明专利技术提供一种基于钙钛矿雪崩管的高灵敏度探测结构及制备方法，涉及高灵敏度X射线/γ射线探测领域，本发明专利技术包括以下部分：采用厚度大于1厘米的本征钙钛矿晶体作为X射线/γ射线光子吸收体，利用钙钛矿晶体的高吸收系数，获得较高的X射线/γ射线光子吸收转换效率，利用本征钙钛矿晶体的高电阻率，减小探测器暗电流，在本征晶体上顺序生长空间电荷层、宽带隙钙钛矿倍增层和窄带隙钙钛矿倍增层，对光生电子空穴对雪崩倍增，获得高增益探测信号，与常规采用闪烁体的间接雪崩探测器件相比较，它避免了将X射线/γ射线光子转换为可见光子的过程，因此可以具有更高的探测量子效率。因此可以具有更高的探测量子效率。因此可以具有更高的探测量子效率。

【技术实现步骤摘要】
一种基于钙钛矿雪崩管的高灵敏度探测结构及制备方法


[0001]本专利技术涉及高灵敏度X射线/γ射线探测领域，尤其涉及一种基于钙钛矿雪崩管的高灵敏度探测结构及制备方法。
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技术介绍

[0003]X射线/γ射线探测在核医学、航空航天，以及工业无损检测等领域具有重要的应用，人们一直致力发展高性能的x射线/γ射线探测器。由于x射线/γ射线光子能量很高，穿透能力很强，x射线/γ射线探测活性材料需要具有较高的平均原子序数（Z）和厚度以充分吸收x射线/γ射线光子。通常人们选择高纯度的半导体单晶作为x射线/γ射线光子直接探测活性材料，在70年代人们提出采用高纯度Ge（HPGe）进行γ射线探测，获得很好的能量分辨率。但是由于它的带隙很小，所以需要液氮冷却。为了在室温下探测x射线/γ射线，人们利用化合物半导体晶体作为γ射线探测的活性材料，如CdTe、 Cd1
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xZnxTe(CZT)以及TlBr等，这些x射线/γ射线探测器已经得到商业应用。但是现有的化合物半导体x射线/γ射线探测器制备技术复杂、成本昂贵、传感单元与读出电路工艺不兼容等问题。
[0004]在医学影像，特别是单光子发射计算机断层成像（SPECT）以及正电子发射断层成像（PET）技术中，x射线或者γ射线的光子通量很低，必须以光子计数的形式加以探测。由于入射的x射线/γ射线非常微弱，在光子计数探测中必须对光生电流提供非常大的增益，同时还需要尽量抑制暗电流和噪声，避免微弱探测信号被噪声所湮灭。
[0005]为了获得光生电流信号的高增益，雪崩二极管（APD）是光子计数经常采用的一种探测器结构。雪崩二极管通过载流子的碰撞电离可以获得非常高的增益（大于100），但是碰撞电离需要施加非常高的偏置电压，而且碰撞电离具有随机性，因此雪崩二极管的暗电流和噪声通常都很高，不利于光子计数探测。为了解决这一问题，人们提出了将光子吸收和倍增区域相分离的雪崩二极管（SAM APD），如图1所示，为了进一步降低倍增阈值电压和噪声，人们在SAM APD的基础上，将光子吸收、空间电荷和倍增区相分离，提出了SACM APD的结构，如图2所示。
[0006]上述SAM APD和SACM APD都采用多元无机化合物半导体作为活性材料，通过分子束外延和有机金属化学气相沉积等方法生长外延层，并由离子注入等方式进行掺杂，晶体和外延层厚度一般都在10微米以内。如果入射光为x射线/γ射线，其光子能量很高，现有的SAM APD和SACM APD对x射线/γ射线光子的吸收和转换都很微弱，所以人们一般通过间接探测的方式对x射线/γ射线光子雪崩放大，典型结构如图3所示（CN106415319A，WO2016/060102，JA 2016.04.21），在该探测结构中，x射线/γ射线光子首先入射到闪烁体，它们与闪烁体作用，产生可见荧光发射，然后再利用前述的化合物半导体雪崩二极管对闪烁荧光进行探测，在这种间接探测方式中，需要将x射线/γ射线光子首先转换为可见光光子，然后再将可见光光子转换为电信号。因此，这种间接探测方法降低了x射线/γ射线光子探测的外量子效率，并引入了附加噪声。
[0007]针对x射线/γ射线间接雪崩探测存在的问题，需要寻找一种高效率的x射线/γ射线直接雪崩探测器件结构和制备方法，虽然人们采用CdZnTe等材料可以进行x射线/γ射线直接探测，但是这些探测器件制备成本昂贵，而且有效探测面积受到较大限制。
[0008]钙钛矿材料具有优秀的光电性能，它已经在光伏太阳能电池、UV/Vis/NIR光电探测，以及发光二极管等领域显现出非常好的应用前景。钙钛矿单晶具有带隙较宽(~3.1 ev)，含有铅和卤素等重元素，载流子迁移率高达600cm2V
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1以上、载流子寿命长达数微秒、电离能达到3~5eV，以及能够使用溶液法十分廉价制备等优势，另外，与其它半导体相比较，卤素钙钛矿还具有非常好的抗辐照特性。
[0009]本专利技术利用钙钛矿材料的结构特点以及溶液法制备工艺的优势，提出一种x射线/γ射线直接雪崩探测的器件结构和制备方法，它的制备成本低廉，而且可以获得高灵敏度、高增益、低阈值电压、低噪声的X射线/γ射线探测。
[0010]
技术实现思路

[0011]本专利技术的目的在于提供一种基于钙钛矿雪崩管的高灵敏度探测结构及制备方法，以解决上述技术问题。
[0012]本专利技术为解决上述技术问题，采用以下技术方案来实现：一种基于钙钛矿雪崩管的高灵敏度探测结构，包括本征钙钛矿晶体、p型外延层、空间电荷层、宽带隙钙钛矿倍增层、窄带隙钙钛矿倍增层；所述本征钙钛矿晶体为X射线/γ射线光子的吸收和转换层；所述钙钛矿本征吸收层下端设置p型钙钛矿晶体外延层，p型钙钛矿晶体外延层下端设置入射端电极，所述p型钙钛矿晶体外延层与钙钛矿本征吸收层之间的界面形成耗尽内建电场，用于阻挡外部载流子的注入以及抑制暗态电流；所述钙钛矿本征吸收层上端设置重掺杂n型钙钛矿晶体外延层作为雪崩管的空间电荷层，所述钙钛矿本征吸收层与空间电荷层之间的界面形成耗尽层，用于钙钛矿本征吸收层与空间电荷层之间形成很大的电压降；所述空间电荷层上面设置高阻宽带隙钙钛矿倍增层，高阻宽带隙钙钛矿倍增层的电压降大于高阻宽带隙钙钛矿倍增层的雪崩击穿阈值电压，通过碰撞电离，提高探测电流增益；所述宽带隙钙钛矿倍增层上面设置窄带隙钙钛矿倍增层，所述窄带隙钙钛矿倍增层增大倍增载流子浓度，进一步提高探测电流增益；所述窄带隙钙钛矿倍增层上端设置出射端电极，所述入射端电极接地，所述出射端电极施加正电压构成反向偏压的吸收、空间电荷和倍增分离的雪崩二极管。
[0013]优选的，所述钙钛矿本征吸收层的厚度一般达到数毫米至一厘米，所述钙钛矿本征吸收层具有高电阻率和大载流子迁移率；所述钙钛矿本征吸收层维持大于10
5 V/m的电场强度，用于光生载流子有效分离以及降低噪声电流。
[0014]一种基于钙钛矿雪崩管的高灵敏度探测结构的制备方法，其特征在于，包括如下制备步骤：1）采用溶液逆温结晶法，制备厚度超过1厘米的本征钙钛矿晶体；
2）采用溶液外延法在本征钙钛矿晶体上下两端生长外延层，并在前驱液中添加适当的金属离子，使得这些外延层分别呈现p型和n型；3）通过晶体切割的方法暴露出p型外延层和n型外延层的晶面，在p型外延层上真空蒸镀的方法沉积入射端金属电极；4）在n型外延层上再通过溶液外延的方法生长另外一层外延层，在前驱液中调控掺杂金属盐浓度，获得重掺杂特性；5）在重掺杂n型外延层上，采用溶液外延法分别生长高阻的宽带隙钙钛矿倍增层和窄带隙钙钛矿倍增层；6）在窄带隙钙钛矿倍增层上，采用真空蒸镀的方法制备出射面电极。
[0015]本专利技术的有益效果是：1、本专利技术利用钙钛矿晶体设计和制备X射线/γ射线雪崩探测器件，将入射的X射线/γ射线光子直接转换为电子空穴对，并对光生电子空穴对雪崩倍增，获得高增益探测信号，与常规采用闪烁体的间接雪崩探测器件相比较，它避免了将X射线/γ射线光子转换为可见光子的过程，因此可以具有更本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于钙钛矿雪崩管的高灵敏度探测结构，其特征在于：包括本征钙钛矿晶体、p型外延层、空间电荷层、宽带隙钙钛矿倍增层、窄带隙钙钛矿倍增层；所述本征钙钛矿晶体为X射线/γ射线光子的吸收和转换层；所述钙钛矿本征吸收层下端设置p型钙钛矿晶体外延层，p型钙钛矿晶体外延层下端设置入射端电极，所述p型钙钛矿晶体外延层与钙钛矿本征吸收层之间的界面形成耗尽内建电场，用于阻挡外部载流子的注入以及抑制暗态电流；所述钙钛矿本征吸收层上端设置重掺杂n型钙钛矿晶体外延层作为雪崩管的空间电荷层，所述钙钛矿本征吸收层与空间电荷层之间的界面形成耗尽层，用于钙钛矿本征吸收层与空间电荷层之间形成很大的电压降；所述空间电荷层上面设置高阻宽带隙钙钛矿倍增层，高阻宽带隙钙钛矿倍增层的电压降大于高阻宽带隙钙钛矿倍增层的雪崩击穿阈值电压，通过碰撞电离，提高探测电流增益；所述宽带隙钙钛矿倍增层上面设置窄带隙钙钛矿倍增层，所述窄带隙钙钛矿倍增层增大倍增载流子浓度，进一步提高探测电流增益；所述窄带隙钙钛矿倍增层上端设置出射端电极，所述入射端电极接地，所述出射端电极施加正电压构成反向偏压的吸收、空间电荷和...

【专利技术属性】
技术研发人员：雷威，周建明，朱莹，
申请(专利权)人：苏州亿现电子科技有限公司，
类型：发明
国别省市：