近日，中國科學技術大學微電子學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展。針對寬帶隙半導體高能光子探測器在探測靈敏度及響應速度等方面的不足，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和光電導效應來提高探測性能的設計策略，該工作充分體現(xiàn)了熱釋電效應在半導體光電探測領域的應用潛力，為實現(xiàn)高靈敏、高速探測器提供了一種新的參考，相關成果以“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（針對紫外及X射線波段）在國家安全、生物醫(yī)學、工業(yè)科學等領域至關重要，目前商用的半導體材料如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的需求。相較于此，寬帶隙半導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陷阱，器件結構方面缺乏有效的設計，兼具高靈敏度、高響應速度的寬帶隙半導體高能光子探測器一直難以實現(xiàn)。在探測器中引入熱釋電效應，通過調(diào)節(jié)光生載流子的分離、傳輸和提取微觀過程，可輔助實現(xiàn)探測器綜合響應特性的提升。傳統(tǒng)熱釋電效應存在于非中心對稱材料中，最近，基于中心對稱材料的界面熱釋電效應的發(fā)現(xiàn)，為高性能探測器的實現(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會產(chǎn)生焦耳熱，導致熱釋電效應減弱。因此，基于此效應的探測器只能在低偏置電壓下工作，器件的響應電流受限。為解決上述問題，同時滿足高靈敏、高速探測器的實際應用要求，有必要將熱釋電效應與傳統(tǒng)的光電導或光伏效應相耦合以充分利用其優(yōu)勢。

針對上述挑戰(zhàn)，龍世兵教授課題組基于PGR-GaOX設計了一種熱釋電光電導二極管，基于耦合界面熱釋電效應和光電導效應實現(xiàn)了探測性能的提升（圖1a，b）。這種熱釋電光電導二極管探測器對深紫外及X射線都具有超高的靈敏度，其對紫外光的響應度高達104A/W，對X射線靈敏度高達10⁵μC×Gyair^-1/cm²（圖1c，d）。另外，由PGR-GaOX器件耗盡區(qū)的極性對稱引起的界面熱釋電效應可以將器件的響應速度顯著提高105倍，最快可達0.1 ms （圖1e）。對比傳統(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，熱釋電光電導二極管在光開關瞬間能夠產(chǎn)生更大的增益，此外電流極性相反且響應速度快，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。工作在光電導模式時，光消失后瞬間產(chǎn)生的熱釋電效應加速載流子復合，促使器件實現(xiàn)快速恢復，從而提升器件響應速度，器件工作原理如圖1g所示。結合上述特性，熱釋電光電導二極管在低功耗和高靈敏度的成像增強系統(tǒng)中有很大應用潛力。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、高響應速度的探測器設計提供了一種新的方案。

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圖1. （a）基于PGR-GaOX熱釋電光電導二極管結構示意圖。（b）熱釋電光電導二極管與傳統(tǒng)的光電二極管在自供電模式（I）及偏壓模式（II、III）下的性能對比。（c）器件在深紫外光照下響應度和外量子效率與光強的依賴關系。（d）器件在X射線照射下的響應電流特性曲線。（e）器件在光開關下的I-t響應特性曲線。在光關閉的瞬間，施加0 V電脈沖操作，可以顯著提升器件的響應速度。（f）自供電模式下器件在光開關下光響應增益及電流極性轉(zhuǎn)變機理。（g）偏壓模式下器件光電導增益機制及熱釋電效應提升響應速度機理。

中國科學技術大學微電子學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，相關研究得到了國家自然科學基金、國家重點研發(fā)計劃項目、中央高校基本科研業(yè)務專項資金及中國博士后科學基金的資助，同時也得到了集成電路科學與工程安徽省重點實驗室、中國科學技術大學微納研究與制造中心、中國科學技術大學信息科學實驗中心的支持。

相關鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202314249