Nowy fotodetektor o wysokiej czułości

Nowy fotodetektor o wysokiej czułości

Niedawno zespół badawczy Chińskiej Akademii Nauk (CAS) oparty na polikrystalicznych materiałach z tlenku galu bogatych w gal (PGR-GaOX) po raz pierwszy zaproponował nową strategię projektowania wysokiej czułości i szybkiego reagowania fotodetektora poprzez sprzężony piroelektryczny interfejs i efekty fotoprzewodnictwa, a odpowiednie badania opublikowano w czasopiśmie Advanced Materials. Wysokoenergetyczne detektory fotoelektryczne (od głębokiego ultrafioletu (DUV) do promieni rentgenowskich) mają kluczowe znaczenie w różnych dziedzinach, w tym w bezpieczeństwie narodowym, medycynie i naukach przemysłowych.

Jednakże obecne materiały półprzewodnikowe, takie jak Si i α-Se, mają problemy związane z dużym prądem upływowym i niskim współczynnikiem absorpcji promieniowania rentgenowskiego, co jest trudne do spełnienia potrzeb wykrywania o wysokiej wydajności. Natomiast półprzewodnikowe materiały z tlenku galu o szerokiej przerwie energetycznej (WBG) wykazują ogromny potencjał w zakresie wysokoenergetycznej detekcji fotoelektrycznej. Jednakże ze względu na nieuniknioną pułapkę głębokiego poziomu po stronie materiału i brak efektywnego projektu konstrukcji urządzenia, stworzenie detektorów fotonów o wysokiej czułości i dużej szybkości reakcji, opartych na półprzewodnikach o szerokopasmowej przerwie, stanowi wyzwanie. Aby sprostać tym wyzwaniom, zespół badawczy w Chinach po raz pierwszy zaprojektował piroelektryczną diodę fotoprzewodzącą (PPD) opartą na PGR-GaOX. Łącząc efekt piroelektryczny interfejsu z efektem fotoprzewodnictwa, wydajność wykrywania ulega znacznej poprawie. PPD wykazało wysoką czułość zarówno na promieniowanie DUV, jak i promieniowanie rentgenowskie, z szybkością reakcji odpowiednio do 104 A/W i 105 μC×Gyair-1/cm2, ponad 100 razy wyższą niż poprzednie detektory wykonane z podobnych materiałów. Ponadto efekt piroelektryczny na granicy faz spowodowany symetrią polarną obszaru zubożenia PGR-GaOX może zwiększyć prędkość reakcji detektora 105 razy do 0,1 ms. W porównaniu do konwencjonalnych fotodiod, tryb PPDS z własnym zasilaniem zapewnia większe zyski dzięki polom piroelektrycznym podczas przełączania światła.

Ponadto PPD może działać w trybie polaryzacji, gdzie wzmocnienie jest w dużym stopniu zależne od napięcia polaryzacji, a bardzo wysokie wzmocnienie można osiągnąć poprzez zwiększenie napięcia polaryzacji. PPD ma ogromny potencjał zastosowań w systemach poprawy obrazowania o niskim zużyciu energii i wysokiej czułości. Praca ta nie tylko dowodzi, że GaOX jest obiecującym materiałem na fotodetektory wysokoenergetyczne, ale także zapewnia nową strategię realizacji wysokowydajnych fotodetektorów wysokoenergetycznych.