เครื่องตรวจจับแสงความไวสูงใหม่

เครื่องตรวจจับแสงความไวสูงใหม่

เมื่อเร็วๆ นี้ ทีมวิจัยที่ Chinese Academy of Sciences (CAS) ซึ่งใช้วัสดุแกลเลียมออกไซด์ที่อุดมด้วยโพลีคริสตัลไลน์แกลเลียม (PGR-GaOX) เสนอเป็นครั้งแรกเกี่ยวกับกลยุทธ์การออกแบบใหม่สำหรับเครื่องตรวจจับแสงที่มีความไวสูงและความเร็วในการตอบสนองสูงผ่านอินเทอร์เฟซคู่ไพโรอิเล็กทริก และผลกระทบต่อการนำแสงและการวิจัยที่เกี่ยวข้องได้รับการตีพิมพ์ใน วัสดุขั้นสูง เครื่องตรวจจับโฟโตอิเล็กทริคพลังงานสูง (สำหรับแถบรังสีอัลตราไวโอเลตลึก (DUV) ถึงแถบรังสีเอกซ์) มีความสำคัญอย่างยิ่งในหลากหลายสาขา รวมถึงความมั่นคงของชาติ การแพทย์ และวิทยาศาสตร์อุตสาหกรรม

อย่างไรก็ตาม วัสดุเซมิคอนดักเตอร์ในปัจจุบัน เช่น Si และ α-Se มีปัญหาเรื่องกระแสรั่วไหลขนาดใหญ่และค่าสัมประสิทธิ์การดูดกลืนรังสีเอกซ์ต่ำ ซึ่งเป็นเรื่องยากที่จะตอบสนองความต้องการการตรวจจับประสิทธิภาพสูง ในทางตรงกันข้าม วัสดุแกลเลียมออกไซด์เซมิคอนดักเตอร์ช่องว่างย่านความถี่กว้าง (WBG) แสดงศักยภาพที่ยอดเยี่ยมสำหรับการตรวจจับโฟโตอิเล็กทริคพลังงานสูง อย่างไรก็ตาม เนื่องจากกับดักระดับลึกที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ในด้านวัสดุและการขาดการออกแบบที่มีประสิทธิภาพบนโครงสร้างอุปกรณ์ จึงเป็นเรื่องท้าทายที่จะตระหนักถึงความไวสูงและความเร็วในการตอบสนองสูง เครื่องตรวจจับโฟตอนพลังงานสูงที่ใช้เซมิคอนดักเตอร์ช่องว่างย่านความถี่กว้าง เพื่อจัดการกับความท้าทายเหล่านี้ ทีมวิจัยในประเทศจีนได้ออกแบบไดโอดโฟโตคอนดักทีฟแบบไพโรอิเล็กทริก (PPD) ที่ใช้ PGR-GaOX เป็นครั้งแรก ด้วยการเชื่อมต่อเอฟเฟกต์ไพโรอิเล็กทริกเข้ากับเอฟเฟกต์โฟโตคอนดักเตอร์ ทำให้ประสิทธิภาพการตรวจจับดีขึ้นอย่างมาก PPD แสดงความไวสูงต่อทั้ง DUV และรังสีเอกซ์ โดยมีอัตราการตอบสนองสูงถึง 104A/W และ 105μC×Gyair-1/cm2 ตามลำดับ ซึ่งสูงกว่าเครื่องตรวจจับรุ่นก่อนๆ ที่ทำจากวัสดุที่คล้ายคลึงกันมากกว่า 100 เท่า นอกจากนี้ เอฟเฟกต์ไพโรอิเล็กทริกของอินเทอร์เฟซที่เกิดจากสมมาตรเชิงขั้วของบริเวณการพร่องของ PGR-GaOX สามารถเพิ่มความเร็วการตอบสนองของเครื่องตรวจจับได้ 105 เท่าเป็น 0.1 มิลลิวินาที เมื่อเปรียบเทียบกับโฟโตไดโอดทั่วไป PPDS ในโหมดขับเคลื่อนด้วยตนเองจะให้ค่าเกนที่สูงกว่าเนื่องจากสนามไพโรอิเล็กทริกในระหว่างการเปลี่ยนไฟ

นอกจากนี้ PPD ยังสามารถทำงานในโหมดไบแอสได้ โดยที่อัตราขยายจะขึ้นอยู่กับแรงดันไบแอสเป็นอย่างสูง และอัตราขยายที่สูงเป็นพิเศษสามารถทำได้โดยการเพิ่มแรงดันไบแอส PPD มีศักยภาพในการใช้งานที่ดีเยี่ยมในการใช้พลังงานต่ำและระบบเพิ่มประสิทธิภาพการถ่ายภาพที่มีความไวสูง งานนี้ไม่เพียงพิสูจน์ว่า GaOX เป็นวัสดุตรวจจับแสงที่มีพลังงานสูงที่มีแนวโน้ม แต่ยังเป็นกลยุทธ์ใหม่ในการตระหนักถึงเครื่องตรวจจับแสงพลังงานสูงที่มีประสิทธิภาพสูง