中科大龍世兵課題組 | 基于交變柵壓調(diào)制的Ga2O3光電探測器

發(fā)表于：2023-12-05 來源：半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)網(wǎng) 編輯：

近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)龍世兵課題組提出了一種Ga2O3光電探測器的交變柵壓調(diào)制方案，為光電探測器的研究提供了新的思路。日盲光電探測器在現(xiàn)今世界的光電系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用，然而幾乎所有基于光電導(dǎo)效應(yīng)的日盲光電探u測器都面臨著響應(yīng)速度和速度兩難困境（Responsivity & Speed dilemma，以下簡寫為RS困境）的問題，即高的響應(yīng)度會導(dǎo)致相對長的衰減時間。材料中的陷阱中心延長了載流子壽命，光照下較高濃度的移動載流子有利于更高的響應(yīng)度，但陷阱的作用延長了光照消失后陷阱中心的捕獲和去捕獲過程，從而導(dǎo)致器件的高響應(yīng)度是以犧牲響應(yīng)速度為代價，這就是光電探測器典型的RS困境問題（圖1a）。RS困境在基于氧化鎵的光電探測器中尤為突出，即使在高質(zhì)量晶體材料中，也存在固有的捕獲中心導(dǎo)致該現(xiàn)象的產(chǎn)生。

在該工作中，研究者們基于非晶氧化鎵（Amorphous GaOx，簡稱a-GaOx）薄膜日盲光電探測器，定制了交變柵壓調(diào)制（Alternating Gate Modulation, AGM）方案（圖1b,c）。與通過恒定柵極偏置對光敏溝道狀態(tài)的傳統(tǒng)控制方法不同，在單個探測周期中，AGM方案通過動態(tài)模式切換分別促進(jìn)了高響應(yīng)度和快衰減速度，從而一定程度上突破了光電探測器典型的RS困境問題（圖1d）。

此外，隨著上述AGM調(diào)控效果的證明，進(jìn)行了5×5 規(guī)模a-GaOx陣列的紫外線成像的功能模擬，如圖1e所示。在四種不同的操作條件下，即Vgs=-10 V、0 V、10 V和AGM模式，執(zhí)行相同的光電探測任務(wù)并產(chǎn)生成像幀序列。每隔5秒，將字母“U”、“S”、“T”和“C”的圖像（5×5像素）按順序投影到陣列上。基于每個方案的所有成像幀的比較，可以看出，由于R和衰減速度的同步增強(qiáng)，AGM既能夠?qū)崿F(xiàn)最高的對比度，又不會因為死區(qū)過大而產(chǎn)生重影，因此，動態(tài)的AGM方案具有較好的成像應(yīng)用潛力。

該AGM方案為基于低成本或低質(zhì)量材料的光電探測器提供了躋身高性能器件的機(jī)會，有利于緩解高性能探測器對高質(zhì)量材料的苛刻要求，從而降低產(chǎn)業(yè)化成本。

圖1??(a) RS困境、(b,c) AGM偏置方案、(d) AGM方案下的響應(yīng)特性改善、(e) 成像應(yīng)用示范

該研究成果以“Breaking the responsivity-speed dilemma of a-GaOx photodetector by alternating gate modulation”為題發(fā)表在?Science China Information Sciences 2023年第66卷第12期。本文第一作者為中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士畢業(yè)生張中方（現(xiàn)西湖大學(xué)博士后），通訊作者為中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)微電子學(xué)院龍世兵教授、趙曉龍副研究員。該研究得到了國家自然科學(xué)基金項目以及中科大微納研究與制造中心的支持。

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中科大龍世兵課題組 | 基于交變柵壓調(diào)制的Ga2O3光電探測器