Neuer hochempfindlicher Fotodetektor

Neuer hochempfindlicher Fotodetektor

Kürzlich schlug ein Forschungsteam der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS) auf der Grundlage polykristalliner galliumreicher Galliumoxidmaterialien (PGR-GaOX) erstmals eine neue Designstrategie für hochempfindliche und schnell reagierende Fotodetektoren mit gekoppelter pyroelektrischer Schnittstelle vor und Photoleitfähigkeitseffekte, und die entsprechende Forschung wurde in Advanced Materials veröffentlicht. Hochenergetische fotoelektrische Detektoren (für tiefes Ultraviolett (DUV) bis hin zu Röntgenbändern) sind in einer Vielzahl von Bereichen von entscheidender Bedeutung, darunter in der nationalen Sicherheit, in der Medizin und in der Industriewissenschaft.

Die aktuellen Halbleitermaterialien wie Si und α-Se weisen jedoch die Probleme eines großen Leckstroms und eines niedrigen Röntgenabsorptionskoeffizienten auf, was es schwierig macht, die Anforderungen einer Hochleistungsdetektion zu erfüllen. Im Gegensatz dazu weisen Halbleiter-Galliumoxidmaterialien mit breiter Bandlücke (WBG) ein großes Potenzial für die fotoelektrische Hochenergiedetektion auf. Aufgrund der unvermeidlichen Tiefenfalle auf der Materialseite und des Mangels an effektivem Design der Gerätestruktur ist es jedoch eine Herausforderung, Hochenergie-Photonendetektoren mit hoher Empfindlichkeit und hoher Reaktionsgeschwindigkeit auf Basis von Halbleitern mit großer Bandlücke zu realisieren. Um diesen Herausforderungen zu begegnen, hat ein Forschungsteam in China erstmals eine pyroelektrische fotoleitende Diode (PPD) auf Basis von PGR-GaOX entwickelt. Durch die Kopplung des pyroelektrischen Grenzflächeneffekts mit dem Photoleitfähigkeitseffekt wird die Detektionsleistung erheblich verbessert. PPD zeigte eine hohe Empfindlichkeit sowohl gegenüber DUV- als auch gegenüber Röntgenstrahlen mit Reaktionsraten von bis zu 104 A/W bzw. 105 μC×Gyair-1/cm2, mehr als 100-mal höher als frühere Detektoren aus ähnlichen Materialien. Darüber hinaus kann der pyroelektrische Grenzflächeneffekt, der durch die Polarsymmetrie der PGR-GaOX-Verarmungsregion verursacht wird, die Reaktionsgeschwindigkeit des Detektors um das 105-fache auf 0,1 ms erhöhen. Im Vergleich zu herkömmlichen Fotodioden erzeugen PPDS im Self-Powered-Modus aufgrund pyroelektrischer Felder beim Lichtschalten höhere Gewinne.

Darüber hinaus kann PPD im Bias-Modus betrieben werden, bei dem die Verstärkung stark von der Bias-Spannung abhängt und eine ultrahohe Verstärkung durch Erhöhen der Bias-Spannung erreicht werden kann. PPD bietet ein großes Anwendungspotenzial für Bildverbesserungssysteme mit geringem Energieverbrauch und hoher Empfindlichkeit. Diese Arbeit beweist nicht nur, dass GaOX ein vielversprechendes Hochenergie-Fotodetektormaterial ist, sondern bietet auch eine neue Strategie zur Realisierung leistungsstarker Hochenergie-Fotodetektoren.