中科大龍世兵課題組 | 基于交變柵壓調制的Ga2O3光電探測器

發表于：2023-12-05 來源：半導體產業網編輯：

近日，中國科學技術大學龍世兵課題組提出了一種Ga2O3光電探測器的交變柵壓調制方案，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今世界的光電系統中發揮著重要作用，然而幾乎所有基于光電導效應的日盲光電探u測器都面臨著響應速度和速度兩難困境（Responsivity & Speed dilemma，以下簡寫為RS困境）的問題，即高的響應度會導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，從而導致器件的高響應度是以犧牲響應速度為代價，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，即使在高質量晶體材料中，也存在固有的捕獲中心導致該現象的產生。

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的傳統控制方法不同，在單個探測周期中，AGM方案通過動態模式切換分別促進了高響應度和快衰減速度，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調控效果的證明，進行了5×5 規模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，執行相同的光電探測任務并產生成像幀序列。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，AGM既能夠實現最高的對比度，又不會因為死區過大而產生重影，因此，動態的AGM方案具有較好的成像應用潛力。

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

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

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技術大學博士畢業生張中方（現西湖大學博士后），通訊作者為中國科學技術大學微電子學院龍世兵教授、趙曉龍副研究員。該研究得到了國家自然科學基金項目以及中科大微納研究與制造中心的支持。