用于低剂量X射线成像的双栅极光电薄膜晶体管“智能”像素的研究

Amorphous silicon flat panel X-ray detector was introduced a decade ago and has established itself as a ubiquitous platform for several digital radiography modalities, including chest radiograhy, mammograhy, and fluoroscopy. The fundamental building block of a flat panel detector is called a pixel. In all current pixel architectures, either passive or active, sensing, storage, and readout are unanimously kept separate. This will inevitably compromise resolution by increasing pixel size. To address this issue, we hereby propose a "smart" pixel archtecture where the above-mentioned three components are combined in a single dual-gate photo thin-film transistor.In another word, the dual-gate transisotor itself works as a sensor, a storage capacitor, and a switch at the same time. Additionally, by harnessing the amplificaiton effect of thin-film transistor, we for the first time created a single transistor active pixel sensor. The "smart" pixel technology holds tremendous promise for achieving high-resolution，high-sensitivity and low-dose X-ray imaging, which may potentially lower cancer risk imposed by radiation, especailly among pediatric patients.

作为当今疾病诊断的重要工具，数字平板X射线探测器已在医学影像领域得到了广泛的应用。作为探测器的最基本单元，像素对成像质量起到了至关重要的作用。目前，所有的像素电路均采用信号感应、存储、以及读取三元分立的设计。这样不仅增加了像素面积，而且不利于信号的有效传输。针对这些问题，本课题在国际上首次提出双栅极光电薄膜晶体管"智能"像素的概念，将传统像素里彼此分立的感应、储存、和读取三者集成在一起，由一个器件来完成所有功能。"智能"像素技术不仅节省了像素面积，提高了分辨率，简化了制备工艺，而且还借助于晶体管本身的放大效应, 完成了像素内部信号的放大功能，有望实现高灵敏度和低剂量X射线成像。本课题将重点研究单个器件和成像阵列的工作原理、制备工艺、以及器件结构与性能的关系等关键问题，为实现高灵敏度和低剂量的新型数字X射线成像系统奠定基础，这对降低病人尤其是儿童和婴幼儿群体的辐射致癌风险具有十分重要的意义。

基于非晶硅光电传感器和薄膜晶体管的像素技术是间接X射线平板探测器的核心。本课题主要研究用于实现低剂量间接X射线成像的高灵敏度双栅极光电薄膜晶体管“智能”像素的设计、仿真、制备、和表征等。我们拟开展的研究计划可以归纳为如下四个方面：1）双栅极光电薄膜晶体管的设计、仿真，以及物理和电路模型的建立；2）双栅极光电薄膜晶体管的制备和集成工艺；3）双栅极光电薄膜晶体管及单一像素X射线探测器的性能测试和评估；4）双栅极光电薄膜晶体管智能像素成像阵列的制备和性能评估等。经过四年的研究工作，课题组基本按照计划完成了上述主要研究内容。首先，我们建立了完整的亚阈值区光电流物理模型，我们可以很好地预测晶体管输出光电流与光通量之间的关系，并为后续像素电路的设计提供支持。我们进而设计了三维沟道结构的双栅极光电薄膜晶体管，实现单一晶体管有源“智能”像素，即利用一个双栅光电薄膜晶体管完成光电探测、信号放大和开关输出三个功能。其次，我们设计和制备了三维沟道薄膜晶体管，获得了器件制备和集成工艺。再次，我们完成了单个像素的制备和表征并与X射线闪烁体碘化铯贴合形成单一像素间接X射线探测器并进行了表征。最后，我们设计和制备了256x256像素阵列并完成了初步的光学成像测试。本课题的重要研究进展是对三维双栅光电薄膜晶体管“智能”有源像素技术进行了系统地研究和开发，建立了从器件物理到系统集成的完整技术路径和解决方案。我们设计了三维双栅光电薄膜晶体管在亚阈值区工作不仅使其具有低噪声和高光电增益（>10000@550nm）的优势，而且还可以在近紫外到近红外波长范围内均获得较高的增益，并具有较宽动态响应范围（> 40dB），有望实现低剂量间接X射线成像。主要研究成果发表在素有“微电子器件奥林匹克”之称的IEEE国际电子器件会议（IEDM）上，为中山大学以第一作者和通讯作者发表的首篇IEDM论文。面向未来的X射线成像探测器的应用，先进的探测器不仅需要具有优异的性能，而且还需要具有技术的可行性和未来量产的可能性。本课题提出的三维双栅极光电薄膜晶体管有源像素技术是建立在成熟的非晶硅薄膜晶体管工艺基础上，兼顾了技术的先进性和可行性，具有广阔的应用前景。在执行期内，课题组共发表SCI收录期刊论文7篇，EI收录国际会议论文5篇，申请发明专利8项，其中授权1项, 共培养博士研究生3人和硕士研究生3人。