[發明專利]外延生長的KTO/NSTO薄膜及其制備和應用

在審

• 申請號: 202210101796.4
• 申請日: 2022-01-27
• 公開（公告）號: CN115566084A
• 公開（公告）日: 2023-01-03
• 發明（設計）人: 任召輝;楊倩;王飛;方彥俊;李力奇;韓高榮
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: H01L31/032
• 分類號: H01L31/032;H01L31/118;H01L31/18
• 代理公司: 杭州星河慧專利代理事務所(普通合伙) 33410
• 代理人: 周麗娟

本發明公開了外延生長的KTO/NSTO薄膜及其制備和應用，其中，KTO外延薄膜具有大面積連續且平整的表面，且在KTO/NSTO異質結界面和KTO薄膜內部，原子按規則排列整齊，不存在無序區域和位錯區域，K元素無明顯缺失。該外延生長的KTO/NSTO薄膜是通過多次水熱合成得到的。利用上述KTO/NSTO薄膜制得的X射線探測器，表現出超乎尋常的優異性能，在2V偏置電壓下，在較寬的X射線劑量區間內均能觀察到良好的臺階曲線，靈敏度和探測極限顯著優于當前的商用X射線探測器；同時，該探測器在空氣、高濕、輻照、冷熱循環、高溫下具有優異的電流響應穩定性。

技術領域

本發明屬于半導體器件領域，具體涉及外延生長的單晶薄膜及其應用，尤 其是在X射線探測器上的應用。

背景技術

X射線探測器是一類接收X射線輻射并將X射線能量轉化為可供記錄的電 信號的裝置。由于X射線具有強大的穿透能力并且能夠無損探測到物體內部的 信息，X射線探測器具有較高的空間分辨率和無探測損傷等特點，可以實現對 生物體、礦物、金屬等樣品內部細微結構的準確探測，被廣泛應用于醫療、安 檢、科研、核工業和軍工等領域。

根據X射線探測器的電信號轉化方式，一般將其分為半導體型直接探測器和 閃爍體型間接探測器。目前占主導地位的是閃爍體型間接探測器(如摻鉈碘化銫， CsI:Tl)，其是將X射線光子轉換為低能光子，然后通過光電探測器進行檢測。由 于較低的轉換效率和散射引起的光學串擾，這種探測器的靈敏度(約300 μC·Gy^-1·cm^-2)和成像質量都比較普通。而半導體型直接探測器則是基于光電導體， 例如無定形硒(α-Se)，直接將X射線轉換成電子作為電信號被電極所收集。這種 探測器的軟X射線光子(光子能量40keV)具有良好的X射線轉換效率和高靈 敏度(約440μC·Gy^-1·cm^-2)，能夠在乳房X射線照相術中實現高分辨率成像(參 見：Sensors,2011,11,5112,Proc.SPIE 3977,128–136,2000)。而且，半導體型直接 探測器中幾乎不會發生光學串擾。然而，不幸的是，α-Se的用途有限，因為它對硬 X射線的吸收性差、本征X射線靈敏度低，并在80℃以上發生熱分解。總的來 說，半導體型直接探測器比閃爍體型間接探測器具有更高的成像分辨率和動態成像 能力，具有更好的空間分辨力和更簡單的系統裝置，因此具有更大的應用前景。

然而，具有高穩定性且對X射線吸收性能優異的材料的匱乏，這限制了直接X 射線探測器的應用。吸光層通過吸收X射線產生光生電子和空穴對，并在外加偏壓 的作用下產生定向光電流，是探測器中最關鍵的部分。在實際應用中，根據不同 的應用選擇不同的半導體作為探測器的吸光層材料。目前，已經實現商業化應 用的直接型X射線平板探測器光吸收層材料主要有非晶態硒α-Se、硅和CdZnTe。 這些材料都具備高效的半導體X射線探測器的特性。但是，這些材料仍然存在問 題，在晶體生長中都會存在固有的缺陷或持續的未解決的問題：制備工藝復雜，價 格昂貴，材料原子序數小從而導致靈敏度不高，檢測劑量不夠低等。因此，開發新 的對X射線具有更高的靈敏度和更低的檢測極限的半導體材料是非常迫切且有必 要的。