Nuovo fotorilevatore ad alta sensibilità

Nuovo fotorilevatore ad alta sensibilità

Recentemente, un gruppo di ricerca dell'Accademia cinese delle scienze (CAS) basato su materiali policristallini di ossido di gallio ricchi di gallio (PGR-GaOX) ha proposto per la prima volta una nuova strategia di progettazione per un fotorilevatore ad alta sensibilità e alta velocità di risposta attraverso un'interfaccia piroelettrica accoppiata ed effetti di fotoconduttività, e la ricerca pertinente è stata pubblicata su Advanced Materials. I rilevatori fotoelettrici ad alta energia (per le bande degli ultravioletti profondi (DUV) e dei raggi X) sono fondamentali in una varietà di campi, tra cui la sicurezza nazionale, la medicina e la scienza industriale.

Tuttavia, gli attuali materiali semiconduttori come Si e α-Se presentano i problemi di una grande corrente di dispersione e di un basso coefficiente di assorbimento dei raggi X, che è difficile soddisfare le esigenze di rilevamento ad alte prestazioni. Al contrario, i materiali semiconduttori di ossido di gallio a banda larga (WBG) mostrano un grande potenziale per il rilevamento fotoelettrico ad alta energia. Tuttavia, a causa dell'inevitabile trappola di livello profondo sul lato materiale e della mancanza di una progettazione efficace sulla struttura del dispositivo, è difficile realizzare rilevatori di fotoni ad alta energia ad alta sensibilità e velocità di risposta basati su semiconduttori a banda larga. Per affrontare queste sfide, un gruppo di ricerca in Cina ha progettato per la prima volta un diodo fotoconduttivo piroelettrico (PPD) basato su PGR-GaOX. Accoppiando l'effetto piroelettrico dell'interfaccia con l'effetto di fotoconduttività, le prestazioni di rilevamento vengono notevolmente migliorate. Il PPD ha mostrato un’elevata sensibilità sia alla DUV che ai raggi X, con tassi di risposta fino a 104 A/W e 105μC×Gyair-1/cm2, rispettivamente, più di 100 volte superiori rispetto ai precedenti rilevatori realizzati con materiali simili. Inoltre, l'effetto piroelettrico dell'interfaccia causato dalla simmetria polare della regione di svuotamento PGR-GaOX può aumentare la velocità di risposta del rilevatore di 105 volte fino a 0,1 ms. Rispetto ai fotodiodi convenzionali, la modalità autoalimentata PPDS produce guadagni più elevati grazie ai campi piroelettrici durante la commutazione della luce.

Inoltre, il PPD può funzionare in modalità polarizzazione, dove il guadagno dipende fortemente dalla tensione di polarizzazione e si può ottenere un guadagno ultraelevato aumentando la tensione di polarizzazione. Il PPD ha un grande potenziale applicativo nei sistemi di miglioramento dell'imaging a basso consumo energetico e ad alta sensibilità. Questo lavoro non solo dimostra che GaOX è un promettente materiale per fotorivelatori ad alta energia, ma fornisce anche una nuova strategia per realizzare fotorivelatori ad alte prestazioni.