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CN111293131A - X射线探测器及其制备方法 - Google Patents

X射线探测器及其制备方法 Download PDF

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CN111293131A
CN111293131A CN202010104387.0A CN202010104387A CN111293131A CN 111293131 A CN111293131 A CN 111293131A CN 202010104387 A CN202010104387 A CN 202010104387A CN 111293131 A CN111293131 A CN 111293131A
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layer
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梁栋
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Abstract

本申请适用于探测器技术领域，提供了X射线探测器及其制备方法，该X射线探测器包括：钙钛矿晶体基板，两侧面均设置有载流子传输层；两层电极层，分别设置在两层载流子传输层上；其中，每一电极层包括由多个电极组成的二维面阵电极，且两层电极层之间的各个电极一一对应；两层读出阵列电路面板，分别设置在两层电极层上，且与各个电极连接；其中，每一读出阵列电路面板上均设置有信号读出电极，且两层读出阵列电路面板中的信号处理电路分别为脉冲计数电路和电荷积分电路。本申请能够使得X射线探测器工作在光子计数模式，或使得X射线探测器工作在能量积分模式，或使得X射线探测器同时工作在光子计数模式和能量积分模式。

Description

X射线探测器及其制备方法
技术领域
本申请属于探测器技术领域，尤其涉及X射线探测器及其制备方法。
背景技术
半导体的辐射探测器的基本工作原理为：高能光子在半导体中激发电子空穴对，电子空穴对在电场的作用下，分别向正负电极漂移，产生感应电荷并被外电路收集，形成电信号。根据工作模式的不同，半导体辐射探测器可分为光子计数型探测器和能量积分型探测器。
其中，光子计数型探测器工作在脉冲模式，感应电荷产生脉冲信号，其中脉冲个数为对应高能光子数量，脉冲高度对应高能光子能量。而光子计数型探测器无法工作在高通量X射线下，但是当减少光子通量将导致信噪比降低，同时减小了探测器的动态范围，不利于X射线成像。
发明内容
为克服相关技术中存在的问题，本申请实施例提供了X射线探测器及其制备方法。
本申请是通过如下技术方案实现的：
第一方面，本申请实施例提供了一种X射线探测器，包括：
钙钛矿晶体基板，两侧面均设置有载流子传输层；
两层电极层，分别设置在两层所述载流子传输层上；其中，每一所述电极层包括由多个电极组成的二维面阵电极，且两层所述电极层之间的各个电极一一对应；
两层读出阵列电路面板，分别设置在所述两层电极层上，且与各个电极连接；其中，每一所述读出阵列电路面板上均设置有信号读出电极，且所述两层读出阵列电路面板中的信号处理电路分别为脉冲计数电路和电荷积分电路。
在第一方面的第一种可能的实现方式中，所述脉冲计数电路包括多个像素单元，每个像素单元对应一个脉冲计数子电路，且与对应的电极层中的一个电极对应连接。
在第一方面的第二种可能的实现方式中，所述电荷积分电路包括多个像素电容，每个像素电容与对应的电极层中的一个电极对应连接，用于存储对应电极产生的电荷信号；
其中，通过选通信号读出存储在所述像素电容中的电荷信号。
在第一方面的第三种可能的实现方式中，所述脉冲计数电路对应的读出阵列电路面板为CMOS阵列面板，所述电荷积分电路对应的读出阵列电路面板为CMOS阵列面板或TFT阵列面板。
在第一方面的第四种可能的实现方式中，两层所述载流子传输层分别为电子传输层和空穴传输层；
其中，所述电子传输层的材质为TiO2、SnO2、PCBM、PTAA和ZnMgO中的一种或两种以上的组合，所述空穴传输层的材质为NiO、CuI和spiro-MeOTAD中的一种或两种以上的组合。
在第一方面的第五种可能的实现方式中，所述两层电极层分别为阳极电极层和阴极电极层；
其中，所述阳极电极层设置在所述空穴传输层上，所述阴极电极层设置在所述电子传输层上。
第二方面，本申请实施例提供了一种X射线探测器的制备方法，包括：
在钙钛矿晶体基板的两侧分别制备载流子传输层；
在两层所述载流子传输层上分别制备一层电极层；其中，每一所述电极层包括由多个电极组成的二维面阵电极，且两层所述电极层之间的各个电极一一对应；
在每层所述电极层上分别设置一层读出阵列电路面板；其中，每一所述读出阵列电路面板上均设置有信号读出电极，且所述两层读出阵列电路面板中的信号处理电路分别为脉冲计数电路和电荷积分电路。
在第二方面的第一种可能的实现方式中，通过蒸镀或旋涂的方法，在所述钙钛矿晶体基板的两侧分别制备所述载流子传输层。
在第二方面的第二种可能的实现方式中，通过掩膜版蒸镀的方法，在两层所述载流子传输层上分别制备一层所述电极层。
在第二方面的第三种可能的实现方式中，通过倒装焊的方法，将两层所述读出阵列电路面板分别设置在对应的所述电极层上。
本申请实施例与现有技术相比存在的有益效果是：
本申请实施例，钙钛矿晶体基板的两侧面均设置有载流子传输层，两层载流子传输层上分别设置一层电极层，在两层电极层上分别设置一读出阵列电路面板，且该两层读出阵列电路面板中的信号处理电路分别为脉冲计数电路和电荷积分电路，通过控制两个信号处理电路的工作状态，能够从信号读出电极读出电荷信号，使得X射线探测器工作在光子计数模式，或使得X射线探测器工作在能量积分模式，或使得X射线探测器工作在光子计数模式和能量积分模式。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本说明书。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请一实施例提供的X射线探测器的结构示意图；
图2是本申请一实施例提供的X射线探测器的结构示意图；
图3是本申请一实施例提供的电极层的结构示意图；
图4是本申请一实施例提供的脉冲计数电路的结构示意图；
图5是本申请一实施例提供的电荷积分电路的结构示意图；
图6是本申请一实施例提供的X射线探测器的制备方法的示意性流程图；
图7是本申请实施例提供的X射线探测器的制备过程示意图。
具体实施方式
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本申请实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本申请。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本申请的描述。
应当理解，当在本申请说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
还应当理解，在本申请说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
如在本申请说明书和所附权利要求书中所使用的那样，术语“如果”可以依据上下文被解释为“当...时”或“一旦”或“响应于确定”或“响应于检测到”。类似地，短语“如果确定”或“如果检测到[所描述条件或事件]”可以依据上下文被解释为意指“一旦确定”或“响应于确定”或“一旦检测到[所描述条件或事件]”或“响应于检测到[所描述条件或事件]”。
另外，在本申请说明书和所附权利要求书的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本申请说明书中描述的参考“一个实施例”或“一些实施例”等意味着在本申请的一个或多个实施例中包括结合该实施例描述的特定特征、结构或特点。由此，在本说明书中的不同之处出现的语句“在一个实施例中”、“在一些实施例中”、“在其他一些实施例中”、“在另外一些实施例中”等不是必然都参考相同的实施例，而是意味着“一个或多个但不是所有的实施例”，除非是以其他方式另外特别强调。术语“包括”、“包含”、“具有”及它们的变形都意味着“包括但不限于”，除非是以其他方式另外特别强调。
半导体的辐射探测器的基本工作原理为：高能光子在半导体中激发电子空穴对，电子空穴对在电场的作用下，分别向正负电极漂移，产生感应电荷并被外电路收集，形成电信号。根据工作模式的不同，半导体辐射探测器可分为光子计数型探测器和能量积分型探测器。光子计数型探测器工作在脉冲模式，感应电荷产生脉冲信号，其中脉冲个数为对应高能光子数量，脉冲高度对应高能光子能量。能量积分型探测器将大量高能光子产生的电子空穴对进行积分输出为电信号，信号幅度为一定时间内探测到的所有光子能量的累积。光子计数型探测器通过设置电压阈值，可避免噪声干扰，同时可得到所探测器X射线的能谱信息，为多能CT的算法处理提供有效的信息。但是，当X射线剂量增大，由于后端电路“死时间”的影响，光子计数型探测器将出现饱和，无法做出有效的信号输出，而传统的能量积分型探测器具有很高的线性动态范围，基本不存在此问题。
目前用于辐射探测的半导体材料，其电子迁移率和空穴迁移率存在较大差异，如碲锌镉探测器的电子迁移率大约为1000cm2V-1s-1，而其空穴迁移率大约为100cm2V-1s-1，二者相差十倍。由于空穴传输特性较差，使得空穴俘获较严重，存在“空穴拖尾”效应，会使探测器的能量分辨率降低和光电吸收峰的效率减小。因此一般会探测器的电极结构进行特殊设计，制备单载流子器件，在探测器工作时，只对迁移率大的载流子进行收集，另一种载流子则通过阻挡层去除。
钙钛矿材料能够通过溶液法轻松制备，具有较大的载流子迁移率和载流子寿命，近年来被广泛用于太阳能电池、发光二极管、光电探测器等领域。钙钛矿材料具有双载流子传输的特性，其电子迁移率和空穴迁移率相当，可以制备成双载流子器件。对于铅基钙钛矿而言，由于Pb2+具有6s2孤对电子和空的6p轨道的独特原子电子构型，导致了很强的自旋轨道耦合，从而降低了电子和空穴的有效质量，形成了高载流子迁移率。利用钙钛矿材料的双载流子传输和高迁移率特性，通过上下电极接入不同的后端处理电路，可以制备同时工作在光子计数和能量积分模式的X射线探测器。
基于上述问题，本申请实施例中的X射线探测器，在钙钛矿晶体基板的两侧面均设置有载流子传输层，在两层载流子传输层上分别设置电极层，在两层电极层上分别设置读出阵列电路面板，两层读出阵列电路面板中的信号处理电路分别为脉冲计数电路和电荷积分电路，通过控制两个信号处理电路的工作状态，能够从信号读出电极读出电荷信号，使得X射线探测器工作在光子计数模式，或使得X射线探测器工作在能量积分模式，或使得X射线探测器同时工作在光子计数模式和能量积分模式。
图1至图3是本申请一实施例提供的X射线探测器的结构示意图，参照图1至图3，该X射线探测器可以包括钙钛矿晶体基板10、两层载流子传输层(21，22)、两层电极层(31，32)和两层读出阵列电路面板(41，42)。
具体的，两层载流子传输层(21，22)分别设置在钙钛矿晶体基板10的两侧面，两层电极层(31，32)分别设置在载流子传输层(21，22)上，两层读出阵列电路面板(41，42)分别设置在电极层(31，32)上。
其中，每一电极层包括由多个电极组成的二维面阵电极，且两层所述电极层之间的各个电极一一对应。参见图2和图3，以电极层31为例，电极层31包括由多个电极组成的二维面阵电极，每个小矩形区域表征一个电极，各个电极组成二维面阵电极。
上述X射线探测器，每一读出阵列电路面板上均设置有信号读出电极，且两层读出阵列电路面板中的信号处理电路分别为脉冲计数电路和电荷积分电路，通过控制两个信号处理电路的工作状态，能够从信号读出电极读出电荷信号，使得X射线探测器工作在光子计数模式，或使得X射线探测器工作在能量积分模式，或使得X射线探测器同时工作在光子计数模式和能量积分模式。
一个实施例中，两层载流子传输层(21，22)可以分别为电子传输层和空穴传输层。本申请实施例中，对电子传输层和空穴传输层的具体位置不做限定，以图1所示方向为例，电子传输层可以为设置在钙钛矿晶体基板10的上侧面的载流子传输层21，空穴传输层可以为设置在钙钛矿晶体基板10的下侧面的载流子传输层22；另外，电子传输层也可以为设置在钙钛矿晶体基板10的下侧面的载流子传输层22，空穴传输层可以为设置在钙钛矿晶体基板10的上侧面的载流子传输层21。
其中，上述电子传输层的材质可以为TiO2、SnO2、PCBM、PTAA和ZnMgO中的一种或两种以上的组合，上述空穴传输层的材质可以为NiO、CuI和spiro-MeOTAD中的一种或两种以上的组合。
一个实施例中，所述两层电极层可以分别为阳极电极层和阴极电极层；阳极电极层设置在空穴传输层上，阴极电极层设置在电子传输层上。
参见图1，一个实施例中，钙钛矿晶体基板10的上侧面的载流子传输层21为电子传输层，下侧面的载流子传输层22为空穴传输层，载流子传输层21上设置有阳极电极层，载流子传输层22上设置有阴极电极层。
示例性的，可以通过蒸镀或旋涂的方法，在载流子传输层(21，22)上分别制备电极层(31，32)，电极层(31，32)的材料可选用Cu、Ag、Au等材料。
示例性的，电极层31上的各个电极与电极层32上的各个电极需要一一对应，因此可以通过掩膜版蒸镀的方法，在载流子传输层(21，22)上分别制备电极层(31，32)。
一个实施例中，上述脉冲计数电路可以包括多个像素单元，每个像素单元对应一个脉冲计数子电路，且与对应的电极层(31，32)中的一个电极对应连接。上述脉冲计数电路选用单像素读出电路，电极层(31，32)的每个电极都连接到脉冲计数电路中读取通道的独立像素，由单个读出通道独立处理。
示例性的，参见图4，以读出阵列电路面板41中的信号处理电路为脉冲计数电路为例进行说明。具体的，读出阵列电路面板41中的脉冲计数电路可以包括多个像素单元411，每个像素单元411对应一个脉冲计数子电路，且与对应的电极层31中的一个电极对应连接。例如，每个像素单元411可以通过其中的放大电路412与对应的电极层31中的一个电极对应连接。
需要说明的是，在其他实施例中，读出阵列电路面板42中的信号处理电路可以为脉冲计数电路，本申请实施例对此不予限定。
一个实施例中，上述电荷积分电路可以包括多个像素电容，每个像素电容与对应的电极层(31,32)中的一个电极对应连接，用于存储对应电极产生的电荷信号；其中，通过选通信号读出存储在像素电容中的电荷信号。
示例性的，参见图5，以读出阵列电路面板42中的信号处理电路为电荷积分电路为例进行进行说明。具体的，读出阵列电路面板42中的电荷积分电路可以包括多个像素电容，每个像素电容与对应的电极层32中的一个电极对应连接，用于存储电极层32中各个电极产生的电荷信号，每个像素电容与电极层32中一个电极对应。本实施例中，电极层32的各个电极产生的电荷首先存储在对应的像素电容上，然后通过选通信号对电荷信号进行逐行读出。
一个实施例中，所述脉冲计数电路对应的读出阵列电路面板可以为CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体)阵列面板，所述电荷积分电路对应的读出阵列电路面板可以为CMOS阵列面板或TFT(Thin-Film Transistor，薄膜晶体管)阵列面板。例如，读出阵列电路面板41可以为CMOS阵列面板，读出阵列电路面板42可以为CMOS阵列面板或TFT阵列面板。
需要说明的是，读出阵列电路面板31的结构可以参考读出阵列电路面板41的结构，在此不再赘述。
上述X射线探测器，钙钛矿晶体基板10的两侧面均设置有载流子传输层(21，22)，两层载流子传输层(21，22)上分别设置一层电极层(31，32)，在两层电极层(31，32)上分别设置一读出阵列电路面板(41，42)，且该两层读出阵列电路面板(41，42)中的信号处理电路分别为脉冲计数电路和电荷积分电路，通过控制两个信号处理电路的工作状态，能够从信号读出电极读出电荷信号，使得X射线探测器工作在光子计数模式，或使得X射线探测器工作在能量积分模式，或使得X射线探测器工作在光子计数模式和能量积分模式。
本申请中的X射线探测器利用钙钛矿材料的双载流子传输特性，可同时工作在光子计数模式和能量积分模式，或工作在光子计数模式或能量积分模式，可得到X射线的能谱信息，为成像提供更多有效信息。
本申请实施例中的X射线探测器利用钙钛矿材料的双载流子传输特性，利用PN结构建光伏型探测器，使得探测器具有内建电场，无需外加偏压工作，探测器在正、负电极上分别输出电子、空穴，一端采用脉冲计数电路进行光子计数，另一端采用电容积分电路进行信号积分输出，达到双模式工作的目的。即可同时工作在光子计数模式和能量积分模式，或工作在光子计数模式或能量积分模式，可得到X射线的能谱信息，为成像提供更多有效信息。
对应于上文实施例应用于X射线探测器，图6示出了本申请实施例提供的X射线探测器的制备方法的示意性流程图，为了便于说明，仅示出了与本申请实施例相关的部分。
参见图6和图7，本申请实施例中的X射线探测器的制备方法可以包括：
在步骤101中，在钙钛矿晶体基板的两侧分别制备载流子传输层。
其中，可以通过蒸镀或旋涂的方法，在钙钛矿晶体基板10的两侧分别制备载流子传输层(21,22)。
示例性的，两层所述载流子传输层(21,22)可以分别为电子传输层和空穴传输层；其中，所述电子传输层的材质为TiO2、SnO2、PCBM、PTAA和ZnMgO中的一种或两种以上的组合，所述空穴传输层的材质为NiO、CuI和spiro-MeOTAD中的一种或两种以上的组合。
在步骤102中，在两层所述载流子传输层上分别制备一层电极层。
其中，每一所述电极层(31,32)包括由多个电极组成的二维面阵电极，且两层所述电极层(31,32)之间的各个电极一一对应。
示例性的，可以通过掩膜版蒸镀的方法，在两层所述载流子传输层(21,22)上分别制备一层电极层(31,32)。
在步骤103中，在每层所述电极层上分别设置一层读出阵列电路面板。
其中，每一所述读出阵列电路面板上均设置有信号读出电极，且所述两层读出阵列电路面板中的信号处理电路分别为脉冲计数电路和电荷积分电路。
示例性的，可以通过倒装焊的方法，将两层所述读出阵列电路面板分别设置在对应的所述电极层(31,32)上。
上述X射线探测器的制备方法，在钙钛矿晶体基板的两侧分别制备载流子传输层，在两层载流子传输层上分别制备一层电极层，在每层电极层上分别制备一层读出阵列电路面板，两层读出阵列电路面板中的信号处理电路分别为脉冲计数电路和电荷积分电路，通过控制两个信号处理电路的工作状态，能够从信号读出电极读出电荷信号，使得X射线探测器工作在光子计数模式，或使得X射线探测器工作在能量积分模式，或使得X射线探测器工作在光子计数模式和能量积分模式。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种X射线探测器，其特征在于，包括：
钙钛矿晶体基板，两侧面均设置有载流子传输层；
两层电极层，分别设置在两层所述载流子传输层上；其中，每一所述电极层包括由多个电极组成的二维面阵电极，且两层所述电极层之间的各个电极一一对应；
两层读出阵列电路面板，分别设置在所述两层电极层上，且与各个电极连接；其中，每一所述读出阵列电路面板上均设置有信号读出电极，且所述两层读出阵列电路面板的信号处理电路分别为脉冲计数电路和电荷积分电路。
2.如权利要求1所述的X射线探测器，其特征在于，所述脉冲计数电路包括多个像素单元，每个像素单元对应一个脉冲计数子电路，且与对应的电极层中的一个电极对应连接。
3.如权利要求1所述的X射线探测器，其特征在于，所述电荷积分电路包括多个像素电容，每个像素电容与对应的电极层中的一个电极对应连接，用于存储对应电极产生的电荷信号；
其中，通过选通信号读出存储在所述像素电容中的电荷信号。
4.如权利要求1至3任一项所述的X射线探测器，其特征在于，所述脉冲计数电路对应的读出阵列电路面板为CMOS阵列面板，所述电荷积分电路对应的读出阵列电路面板为CMOS阵列面板或TFT阵列面板。
5.如权利要求1至3任一项所述的X射线探测器，其特征在于，两层所述载流子传输层分别为电子传输层和空穴传输层；
其中，所述电子传输层的材质为TiO2、SnO2、PCBM、PTAA和ZnMgO中的一种或两种以上的组合，所述空穴传输层的材质为NiO、CuI和spiro-MeOTAD中的一种或两种以上的组合。
6.如权利要求5所述的X射线探测器，其特征在于，所述两层电极层分别为阳极电极层和阴极电极层；
其中，所述阳极电极层设置在所述空穴传输层上，所述阴极电极层设置在所述电子传输层上。
7.一种X射线探测器的制备方法，其特征在于，包括：
在钙钛矿晶体基板的两侧分别制备载流子传输层；
在两层所述载流子传输层上分别制备一层电极层；其中，每一所述电极层包括由多个电极组成的二维面阵电极，且两层所述电极层之间的各个电极一一对应；
在每层所述电极层上分别设置一层读出阵列电路面板；其中，每一所述读出阵列电路面板上均设置有信号读出电极，且所述两层读出阵列电路面板中的信号处理电路分别为脉冲计数电路和电荷积分电路。
8.如权利要求7所述的X射线探测器的制备方法，其特征在于，通过蒸镀或旋涂的方法，在所述钙钛矿晶体基板的两侧分别制备所述载流子传输层。
9.如权利要求7所述的X射线探测器的制备方法，其特征在于，通过掩膜版蒸镀的方法，在两层所述载流子传输层上分别制备一层所述电极层。
10.如权利要求7所述的X射线探测器的制备方法，其特征在于，通过倒装焊的方法，将两层所述读出阵列电路面板分别设置在对应的所述电极层上。
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