[发明专利]一种基于钙钛矿雪崩管的高灵敏度探测结构及制备方法

说明书

本发明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。

技术领域

本发明涉及高灵敏度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。

背景技术

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-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。

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。

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。

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。

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。