中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
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(guò)耦合界面熱釋電效應和光電導效應來(lái)提高探測性能的設計策略，該工作充分體現了熱釋電效應在半導體光電探測領(lǐng)域的應用潛力，為實(shí)現高靈敏、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（針對紫外及X射線(xiàn)波段）在國家安全、生物醫學(xué)、工業(yè)科學(xué)等領(lǐng)域至關(guān)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(xiàn)吸收系數低等問(wèn)題，難以滿(mǎn)足高性能探測技術(shù)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(shí)現。在探測器中引入熱釋電效應，通過(guò)調節光生載流子的分離、傳輸和提取微觀(guān)過(guò)程，可輔助實(shí)現探測器綜合響應特性的提升。傳統熱釋電效應存在于非中心對稱(chēng)材料中，最近，基于中心對稱(chēng)材料的界面熱釋電效應的發(fā)現，為高性能探測器的實(shí)現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(wèn)題，同時(shí)滿(mǎn)足高靈敏、高速探測器的實(shí)際應用要求，有必要將熱釋電效應與傳統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，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(shí)現了探測性能的提升（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(xiàn)都具有超高的靈敏度，其對紫外光的響應度高達10?A/W，對X射線(xiàn)靈敏度高達10?μC × Gyair?1/cm2（圖1c，d）。另外，由PGR-GaOX器件耗盡區的極性對稱(chēng)引起的界面熱釋電效應可以將器件的響應速度顯著(zhù)提高10?倍，最快可達0.1 ms （圖1e）。對比傳統光電二極管（圖1a，b），在自供電模式下（@0 V）由于熱釋電電場(chǎng)的存在，熱釋電光電導二極管在光開(kāi)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(lài)于偏壓，因此可通過(guò)增加偏置電壓來(lái)獲得超高的光電流增益。工作在光電導模式時(shí)，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(shí)現快速恢復，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。
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(lài)關(guān)系。（d）器件在X射線(xiàn)照射下的響應電流特性曲線(xiàn)。（e）器件在光開(kāi)關(guān)下的I-t響應特性曲線(xiàn)。在光關(guān)閉的瞬間，施加0 V電脈沖操作，可以顯著(zhù)提升器件的響應速度。（f）自供電模式下器件在光開(kāi)關(guān)下光響應增益及電流極性轉變機理。（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(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)計劃項目、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)專(zhuān)項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)驗中心的支持。
