โฟโตดีเทคเตอร์ความไวสูงรุ่นใหม่

ใหม่โฟโตดีเทคเตอร์ความไวสูง

เมื่อไม่นานมานี้ ทีมวิจัยจากสถาบันวิทยาศาสตร์แห่งประเทศจีน (CAS) ได้เสนอแนวทางการออกแบบใหม่เป็นครั้งแรก เพื่อให้ได้ความไวสูงและความเร็วในการตอบสนองสูง โดยใช้สารประกอบแกลเลียมออกไซด์ที่มีแกลเลียมเป็นองค์ประกอบหลักแบบผลึกหลายเหลี่ยม (PGR-GaOX)โฟโตดีเทคเตอร์ผ่านปรากฏการณ์ไพโรอิเล็กทริกและโฟโตคอนดักติวิตีที่ส่วนต่อประสาน และงานวิจัยที่เกี่ยวข้องได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร Advanced Materials. High-energyเครื่องตรวจจับแสง(สำหรับช่วงรังสีอัลตราไวโอเลตลึก (DUV) ถึงรังสีเอ็กซ์) มีความสำคัญอย่างยิ่งในหลากหลายสาขา รวมถึงความมั่นคงของชาติ การแพทย์ และวิทยาศาสตร์อุตสาหกรรม

อย่างไรก็ตาม วัสดุเซมิคอนดักเตอร์ในปัจจุบัน เช่น ซิลิคอน (Si) และอัลฟาซีลีเนียม (α-Se) มีปัญหาเรื่องกระแสรั่วไหลสูงและค่าสัมประสิทธิ์การดูดซับรังสีเอกซ์ต่ำ ซึ่งยากที่จะตอบสนองความต้องการในการตรวจจับประสิทธิภาพสูง ในทางตรงกันข้าม วัสดุเซมิคอนดักเตอร์แกลเลียมออกไซด์ที่มีช่องว่างแถบพลังงานกว้าง (WBG) แสดงศักยภาพที่ดีเยี่ยมสำหรับการตรวจจับโฟตอนพลังงานสูง อย่างไรก็ตาม เนื่องจากกับดักระดับลึกที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ในด้านวัสดุและการขาดการออกแบบโครงสร้างอุปกรณ์ที่มีประสิทธิภาพ จึงเป็นเรื่องยากที่จะสร้างเครื่องตรวจจับโฟตอนพลังงานสูงที่มีความไวสูงและความเร็วในการตอบสนองสูงโดยใช้เซมิคอนดักเตอร์ที่มีช่องว่างแถบพลังงานกว้าง เพื่อแก้ไขความท้าทายเหล่านี้ ทีมวิจัยในประเทศจีนได้ออกแบบไดโอดโฟโตคอนดักทีฟแบบไพโรอิเล็กทริก (PPD) ที่ใช้ PGR-GaOX เป็นครั้งแรก โดยการรวมผลของไพโรอิเล็กทริกที่ส่วนต่อประสานกับผลของโฟโตคอนดักทีฟ ทำให้ประสิทธิภาพการตรวจจับดีขึ้นอย่างมาก PPD แสดงความไวสูงต่อทั้งรังสี DUV และรังสีเอ็กซ์ โดยมีอัตราการตอบสนองสูงถึง 10⁴ A/W และ 10⁵ μC × Gyair⁻¹/cm² ตามลำดับ ซึ่งสูงกว่าตัวตรวจจับรุ่นก่อนๆ ที่ทำจากวัสดุที่คล้ายกันมากกว่า 100 เท่า นอกจากนี้ ผลกระทบไพโรอิเล็กทริกที่ส่วนต่อประสานซึ่งเกิดจากสมมาตรเชิงขั้วของบริเวณการพร่องของ PGR-GaOX สามารถเพิ่มความเร็วในการตอบสนองของตัวตรวจจับได้ถึง 10⁵ เท่า เป็น 0.1 มิลลิวินาที เมื่อเทียบกับโฟโตไดโอดทั่วไป PPDS ในโหมดที่ใช้พลังงานเองจะสร้างเกนที่สูงกว่าเนื่องจากสนามไพโรอิเล็กทริกในระหว่างการสลับแสง

นอกจากนี้ PPD ยังสามารถทำงานในโหมดไบแอส ซึ่งอัตราขยายจะขึ้นอยู่กับแรงดันไบแอสเป็นอย่างมาก และสามารถเพิ่มอัตราขยายได้สูงมากโดยการเพิ่มแรงดันไบแอส PPD มีศักยภาพในการใช้งานสูงในระบบเพิ่มประสิทธิภาพการถ่ายภาพที่ใช้พลังงานต่ำและมีความไวสูง งานวิจัยนี้ไม่เพียงแต่พิสูจน์ว่า GaOX เป็นวัสดุที่มีศักยภาพเท่านั้นโฟโตดีเทคเตอร์พลังงานสูงนอกจากจะเป็นวัสดุแล้ว ยังเป็นกลยุทธ์ใหม่ในการสร้างโฟโตดีเทคเตอร์พลังงานสูงประสิทธิภาพสูงอีกด้วย