高灵敏度快速高能光子探测器的新型设计

中国科学院中国科学技术大学龙世兵教授团队在多晶富镓GaOx(PGR-GaOx)肖特基光电二极管基础上，提出了一种将界面热释电效应与光电导效应耦合，实现高灵敏度、高响应速度的高能光子探测器新策略，相关研究成果发表在《先进材料》杂志上。

高能光子探测器(从深紫外(DUV)到X射线)对于国家安全、医学、工业科学等各个领域都至关重要。然而，目前的半导体材料如Si和α -Se存在较大的漏电流和较低的X射线吸收系数，难以满足高性能检测的要求。相反，宽带隙(WBG)半导体GaO在高能光子探测方面表现出了巨大的潜力。但是GaO不可避免的深能级陷阱和缺乏有效的器件结构设计使得基于WBG半导体实现高灵敏度、高响应速度的高能光子探测器具有挑战性。

针对上述挑战，龙世兵教授团队首次设计了一种基于PGR-GaOx的热释电光电导二极管(PPD)，通过将界面热释电效应与光电导效应耦合，探测性能得到明显提升。该PPD对深紫外和X射线均表现出较高的灵敏度，响应度分别达到10 4 AW -1和10 5 μC Gy air -1 cm -2，比之前同类材料制成的探测器提高了100多倍。此外，PGR-GaOx耗尽区极性对称引起的界面热释电效应可使探测器的响应速度提高10 5倍，达到0.1 ms。

与传统光电二极管相比，自供电模式下的 PPD 在光切换时由于热电场的作用产生更高的增益。此外，PPD 可以在偏置模式下工作，其中增益高度依赖于偏置电压。通过增加偏置电压可以实现超高增益。

PPD在低能耗、高灵敏度的成像增强系统中有着巨大的应用潜力。该工作不仅证明了GaOx是一种极具前景的高能光子探测器材料，而且为实现高性能高能光子探测器提供了新的策略。