近日，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)與工程研究所研究員楊春雷團(tuán)隊(duì)以A novel energy-resolved radiation detector based on the optimized CIGS photoelectric absorption layer為題，在Journal of Power Sources上發(fā)表了基于銅銦鎵硒（CIGS）薄膜光電器件與GOS閃爍體相結(jié)合的間接型X射線探測(cè)器研究進(jìn)展，該探測(cè)器具有高靈敏度和能量分辨能力，器件中使用的CIGS薄膜光電材料具有低成本、高效率及可大面積制作等優(yōu)勢(shì)。

瞄準(zhǔn)如何提高輻射探測(cè)器的探測(cè)率以及如何獲得能量分辨這兩個(gè)核心難題，研究人員從材料和器件結(jié)構(gòu)兩個(gè)方面進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)。降低CIGS光電器件的暗電流從而提高信噪比，是CIGS應(yīng)用于探測(cè)器領(lǐng)域的核心挑戰(zhàn)。該團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)研究了Ga含量對(duì)CIGS薄膜探測(cè)器的暗電流調(diào)控并獲得了最優(yōu)的組分設(shè)計(jì)，進(jìn)一步結(jié)合表面態(tài)硫化處理和引入超薄Al2O3層作為pn結(jié)界面電荷阻擋層，成功將器件的探測(cè)率從6×1013 Jones升高至2.3×1014 Jones，這是目前CIGS光電器件的最好水平。基于優(yōu)化的CIGS光電功能層與GOS閃爍體層制備的X射線探測(cè)器，探測(cè)靈敏度達(dá)到8 μCGyair-1cm-2，響應(yīng)時(shí)間為0.23-0.28 ms。

為了獲得對(duì)于X射線的能量分辨能力，該研究提出了新的3D結(jié)構(gòu)X射線探測(cè)器的幾何構(gòu)型，新結(jié)構(gòu)一方面可以利用X射線在穿透深度上的空間分辨獲得能量分布信息，另一方面可以使閃爍體的可見光熒光信號(hào)傳播方向與X射線傳播方向垂直，成功解決了間接型X射線探測(cè)器在高靈敏度和高空間分辨率不可兼得的難題。

該工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、深圳市和廣東省等科技項(xiàng)目的資助。

圖1 a 3D結(jié)構(gòu)間接型X射線探測(cè)器的示意圖；b CIGS光電功能層的器件結(jié)構(gòu)；c 光電器件的照片。

圖2 a 研究中使用的CIGS薄膜的Ga/(Ga+In)元素比；b Ga含量0.33的樣品中各元素的空間分布；c CIGS吸收層的截面電子顯微鏡照片；d CIGS的晶體結(jié)構(gòu)示意圖；e CIGS薄膜的晶體X射線衍射圖譜；f CIGS薄膜的拉曼光譜；g CIGS光電器件的暗電流與Ga組分關(guān)系；h 表面鈍化處理后的CIGS器件的電流電壓曲線。

圖3 在不同深度上的X射線探測(cè)器像素對(duì)X射線能量的敏感度對(duì)比測(cè)量，像素的標(biāo)號(hào)越大，其深度越深。