中国科大在高能光子探测领域研究中取得新进展

近日，中国科学技术大学微电子学院龙世兵教授课题组在氧化镓高能光子探测器研究中取得新进展。针对宽带隙半导体高能光子探测器在探测灵敏度及响应速度等方面的不足，该课题组基于多晶富镓的氧化镓材料（PGR-GaOX）首次提出通过耦合界面热释电效应和光电导效应来提高探测性能的设计策略，该工作充分体现了热释电效应在半导体光电探测领域的应用潜力，为实现高灵敏、高速探测器提供了一种新的参考，相关成果以“Pyroelectric Photoconductive Diode for Highly Sensitive and Fast DUV Detection”为题发表于国际知名期刊《Advanced Materials》上。

高能光子探测器（针对紫外及X射线波段）在国家安全、生物医学、工业科学等领域至关重要，目前商用的半导体材料如Si、a-Se等多存在漏电流大及X射线吸收系数低等问题，难以满足高性能探测技术的需求。相较于此，宽带隙半导体氧化镓材料在高能光子探测方面展现出较大潜力。然而，由于材料方面存在不可避免的深能级陷阱，器件结构方面缺乏有效的设计，兼具高灵敏度、高响应速度的宽带隙半导体高能光子探测器一直难以实现。在探测器中引入热释电效应，通过调节光生载流子的分离、传输和提取微观过程，可辅助实现探测器综合响应特性的提升。传统热释电效应存在于非中心对称材料中，最近，基于中心对称材料的界面热释电效应的发现，为高性能探测器的实现提供了一条便捷的路径。然而，探测器在较高偏压下工作时会产生焦耳热，导致热释电效应减弱。因此，基于此效应的探测器只能在低偏置电压下工作，器件的响应电流受限。为解决上述问题，同时满足高灵敏、高速探测器的实际应用要求，有必要将热释电效应与传统的光电导或光伏效应相耦合以充分利用其优势。

针对上述挑战，龙世兵教授课题组基于PGR-GaOX设计了一种热释电光电导二极管，基于耦合界面热释电效应和光电导效应实现了探测性能的提升（图1a，b）。这种热释电光电导二极管探测器对深紫外及X射线都具有超高的灵敏度，其对紫外光的响应度高达104A/W，对X射线灵敏度高达10⁵μC×Gyair^-1/cm²（图1c，d）。另外，由PGR-GaOX器件耗尽区的极性对称引起的界面热释电效应可以将器件的响应速度显著提高105倍，最快可达0.1 ms （图1e）。对比传统光电二极管（图1a，b），在自供电模式下（@0 V）由于热释电电场的存在，热释电光电导二极管在光开关瞬间能够产生更大的增益，此外电流极性相反且响应速度快，器件原理如图1f所示。不仅如此，器件可以工作在偏压模式（光电导模式）下，光电流增益高度依赖于偏压，因此可通过增加偏置电压来获得超高的光电流增益。工作在光电导模式时，光消失后瞬间产生的热释电效应加速载流子复合，促使器件实现快速恢复，从而提升器件响应速度，器件工作原理如图1g所示。结合上述特性，热释电光电导二极管在低功耗和高灵敏度的成像增强系统中有很大应用潜力。本工作不仅表明Ga2O3材料是一种非常有前景的高能光子探测材料，也为兼具高灵敏度、高响应速度的探测器设计提供了一种新的方案。

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图1. （a）基于PGR-GaOX热释电光电导二极管结构示意图。（b）热释电光电导二极管与传统的光电二极管在自供电模式（I）及偏压模式（II、III）下的性能对比。（c）器件在深紫外光照下响应度和外量子效率与光强的依赖关系。（d）器件在X射线照射下的响应电流特性曲线。（e）器件在光开关下的I-t响应特性曲线。在光关闭的瞬间，施加0 V电脉冲操作，可以显著提升器件的响应速度。（f）自供电模式下器件在光开关下光响应增益及电流极性转变机理。（g）偏压模式下器件光电导增益机制及热释电效应提升响应速度机理。

中国科学技术大学微电子学院侯小虎博士后为该论文第一作者，龙世兵教授和赵晓龙副研究员为该论文共同通讯作者，相关研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划项目、中央高校基本科研业务专项资金及中国博士后科学基金的资助，同时也得到了集成电路科学与工程安徽省重点实验室、中国科学技术大学微纳研究与制造中心、中国科学技术大学信息科学实验中心的支持。

相关链接：https://doi.org/10.1002/adma.202314249