近日，我院龙世兵教授课题组在氧化镓高能光子探测器研究中取得新进展。针对宽带隙半导体高能光子探测器在高分辨率成像应用等方面的遇到的挑战，该课题组提出一种基于氧化镓材料的光控二极管的结构设计策略（即光照下具有高整流特性）以解决平面阵列集成中的电学串扰及高分辨率成像应用实现困难等问题。该工作充分体现了光控二极管在阵列成像领域的应用潜力，为实现高集成密度及高分辨率的成像阵列提供了一种新的参考，相关成果以“Ga2O3 Photon-Controlled Diode for Sensitive DUV/X-ray Detection and High-Resolution Array Imaging Application”为题发表于国际知名期刊《Advanced Functional Materials》上。
高能光子（包括UV及X射线）探测被广泛应用于医学成像、工业探伤和空间通信等领域，相比于硅等传统商用半导体材料，氧化镓（Ga2O3）材料拥有较大的禁带宽度、良好的抗辐射特性等优势，使得其在高能光子探测器的新型材料开发和应用前景上具有极大的潜在价值。随着对高质量、高分辨率成像应用的需求大幅增加，高度集成的光电探测器平面阵列的研究与开发已变得迫在眉睫。目前已报道的紫外/X射线光电探测器平面阵列往往具有以下集成形式：1）并联线性阵列（图1a）；2）交叉阵列（图1b，左图）；和3）集成开关器件的交叉阵列（图1c）。在这些形式中，平面交叉阵列结构因易于高密度集成、工艺简单、成本可控和兼容性高等优势而备受青睐。然而，该结构所引起的串扰问题是探测器在电路和架构层面所面临的不可忽视的重大挑战之一（图1b，右图）。通过使每一个探测单元具备整流及选择特性来消除串扰导致的误读及简化集成工艺对高质量、高分辨率及高集成度阵列成像应用至关重要。因此，在器件层面上的创新是关键所在。
针对上述挑战，龙世兵教授课题组提出了一种具有高整流特性的光控二极管器件，以显著降低交叉阵列中的串扰问题（无需集成开关器件）。通过调整金属-半导体接触的势垒高度，使得器件在正偏压下具有高光电流，在负偏压下几乎无光电流（图1d）。由于Ga2O3薄膜的高阻特性以及Ga2O3与PtOx之间的高势垒接触抑制了器件的光电导增益，器件表现出低暗电流和高光电流整流比。此外，器件展现出优异的光电性能，包括高光响应度（168 A·W−1）、高探测率（1.45×1015 Jones @3.8 V）以及对X射线的高灵敏度（1.23×105µC·Gyair-1·cm-2）。不仅如此，所设计的光控二极管在高集成度成像阵列应用上的潜力被进一步验证，如图1e所示为通过电路仿真获得的成像结果示意图，结果显示基于光控二极管设计的交叉阵列具有良好成像质量及抗串扰特性。该工作通过新型探测器结构的设计，成功解决了平面交叉阵列成像应用中存在的串扰问题。这不仅为实现高性能的紫外/X射线光电探测器提供了新的见解，而且为制备工艺简单及高像素密度的探测器平面阵列开辟了可行的途径。
图1. （a）平行线性阵列示意图。（b）交叉阵列示意图（左）及交叉阵列中串扰的原理示意图（右）。（c）通过集成开关器件的交叉阵列示意图。（d）光控二极管光电特性的典型示意图。插图：光控二极管器件结构图。（e）基于光控二极管的成像阵列在不同掩模下的输出电流仿真示意图。
我院硕士研究生彭芷昕为该论文第一作者，侯小虎博士后、赵晓龙副研究员和龙世兵教授为该论文共同通讯作者，相关研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划项目、中央高校基本科研业务专项资金及中国博士后科学基金的资助，同时也得到了集成电路科学与技术安徽省重点实验室、中国科学技术大学微纳研究与制造中心、中国科学技术大学信息科学实验中心的支持。
文章链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202405277