近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)微電子學(xué)院龍世兵教授課題組在氧化鎵高能光子探測器研究中取得新進(jìn)展。針對(duì)寬帶隙半導(dǎo)體高能光子探測器在探測靈敏度及響應(yīng)速度等方面的不足，該課題組基于多晶富鎵的氧化鎵材料（PGR-GaOX）首次提出通過耦合界面熱釋電效應(yīng)和光電導(dǎo)效應(yīng)來提高探測性能的設(shè)計(jì)策略，該工作充分體現(xiàn)了熱釋電效應(yīng)在半導(dǎo)體光電探測領(lǐng)域的應(yīng)用潛力，為實(shí)現(xiàn)高靈敏、高速探測器提供了一種新的參考，相關(guān)成果以“Pyroelectric Photoconductive Diode for Highly Sensitive and Fast DUV Detection”為題發(fā)表于國際知名期刊《Advanced Materials》上。

高能光子探測器（針對(duì)紫外及X射線波段）在國家安全、生物醫(yī)學(xué)、工業(yè)科學(xué)等領(lǐng)域至關(guān)重要，目前商用的半導(dǎo)體材料如Si、a-Se等多存在漏電流大及X射線吸收系數(shù)低等問題，難以滿足高性能探測技術(shù)的需求。相較于此，寬帶隙半導(dǎo)體氧化鎵材料在高能光子探測方面展現(xiàn)出較大潛力。然而，由于材料方面存在不可避免的深能級(jí)陷阱，器件結(jié)構(gòu)方面缺乏有效的設(shè)計(jì)，兼具高靈敏度、高響應(yīng)速度的寬帶隙半導(dǎo)體高能光子探測器一直難以實(shí)現(xiàn)。在探測器中引入熱釋電效應(yīng)，通過調(diào)節(jié)光生載流子的分離、傳輸和提取微觀過程，可輔助實(shí)現(xiàn)探測器綜合響應(yīng)特性的提升。傳統(tǒng)熱釋電效應(yīng)存在于非中心對(duì)稱材料中，最近，基于中心對(duì)稱材料的界面熱釋電效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，為高性能探測器的實(shí)現(xiàn)提供了一條便捷的路徑。然而，探測器在較高偏壓下工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生焦耳熱，導(dǎo)致熱釋電效應(yīng)減弱。因此，基于此效應(yīng)的探測器只能在低偏置電壓下工作，器件的響應(yīng)電流受限。為解決上述問題，同時(shí)滿足高靈敏、高速探測器的實(shí)際應(yīng)用要求，有必要將熱釋電效應(yīng)與傳統(tǒng)的光電導(dǎo)或光伏效應(yīng)相耦合以充分利用其優(yōu)勢。

針對(duì)上述挑戰(zhàn)，龍世兵教授課題組基于PGR-GaOX設(shè)計(jì)了一種熱釋電光電導(dǎo)二極管，基于耦合界面熱釋電效應(yīng)和光電導(dǎo)效應(yīng)實(shí)現(xiàn)了探測性能的提升（圖1a，b）。這種熱釋電光電導(dǎo)二極管探測器對(duì)深紫外及X射線都具有超高的靈敏度，其對(duì)紫外光的響應(yīng)度高達(dá)104A/W，對(duì)X射線靈敏度高達(dá)10⁵μC×Gyair^-1/cm²（圖1c，d）。另外，由PGR-GaOX器件耗盡區(qū)的極性對(duì)稱引起的界面熱釋電效應(yīng)可以將器件的響應(yīng)速度顯著提高105倍，最快可達(dá)0.1 ms （圖1e）。對(duì)比傳統(tǒng)光電二極管（圖1a，b），在自供電模式下（@0 V）由于熱釋電電場的存在，熱釋電光電導(dǎo)二極管在光開關(guān)瞬間能夠產(chǎn)生更大的增益，此外電流極性相反且響應(yīng)速度快，器件原理如圖1f所示。不僅如此，器件可以工作在偏壓模式（光電導(dǎo)模式）下，光電流增益高度依賴于偏壓，因此可通過增加偏置電壓來獲得超高的光電流增益。工作在光電導(dǎo)模式時(shí)，光消失后瞬間產(chǎn)生的熱釋電效應(yīng)加速載流子復(fù)合，促使器件實(shí)現(xiàn)快速恢復(fù)，從而提升器件響應(yīng)速度，器件工作原理如圖1g所示。結(jié)合上述特性，熱釋電光電導(dǎo)二極管在低功耗和高靈敏度的成像增強(qiáng)系統(tǒng)中有很大應(yīng)用潛力。本工作不僅表明Ga2O3材料是一種非常有前景的高能光子探測材料，也為兼具高靈敏度、高響應(yīng)速度的探測器設(shè)計(jì)提供了一種新的方案。

圖片:55D2E6D82ADB1350F0343993676_1E7191CC_3FF3D.png

圖1. （a）基于PGR-GaOX熱釋電光電導(dǎo)二極管結(jié)構(gòu)示意圖。（b）熱釋電光電導(dǎo)二極管與傳統(tǒng)的光電二極管在自供電模式（I）及偏壓模式（II、III）下的性能對(duì)比。（c）器件在深紫外光照下響應(yīng)度和外量子效率與光強(qiáng)的依賴關(guān)系。（d）器件在X射線照射下的響應(yīng)電流特性曲線。（e）器件在光開關(guān)下的I-t響應(yīng)特性曲線。在光關(guān)閉的瞬間，施加0 V電脈沖操作，可以顯著提升器件的響應(yīng)速度。（f）自供電模式下器件在光開關(guān)下光響應(yīng)增益及電流極性轉(zhuǎn)變機(jī)理。（g）偏壓模式下器件光電導(dǎo)增益機(jī)制及熱釋電效應(yīng)提升響應(yīng)速度機(jī)理。

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)微電子學(xué)院侯小虎博士后為該論文第一作者，龍世兵教授和趙曉龍副研究員為該論文共同通訊作者，相關(guān)研究得到了國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、中央高校基本科研業(yè)務(wù)專項(xiàng)資金及中國博士后科學(xué)基金的資助，同時(shí)也得到了集成電路科學(xué)與工程安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)微納研究與制造中心、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)信息科學(xué)實(shí)驗(yàn)中心的支持。

相關(guān)鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202314249