中科大龙世兵课题组 | 基于交变栅压调制的Ga2O3光电探测器

发表于：2023-12-05 来源：半导体产业网编辑：

近日，中国科学技术大学龙世兵课题组提出了一种Ga2O3光电探测器的交变栅压调制方案，为光电探测器的研究提供了新的思路。日盲光电探测器在现今世界的光电系统中发挥着重要作用，然而几乎所有基于光电导效应的日盲光电探u测器都面临着响应速度和速度两难困境（Responsivity & Speed dilemma，以下简写为RS困境）的问题，即高的响应度会导致相对长的衰减时间。材料中的陷阱中心延长了载流子寿命，光照下较高浓度的移动载流子有利于更高的响应度，但陷阱的作用延长了光照消失后陷阱中心的捕获和去捕获过程，从而导致器件的高响应度是以牺牲响应速度为代价，这就是光电探测器典型的RS困境问题（图1a）。RS困境在基于氧化镓的光电探测器中尤为突出，即使在高质量晶体材料中，也存在固有的捕获中心导致该现象的产生。

在该工作中，研究者们基于非晶氧化镓（Amorphous GaOx，简称a-GaOx）薄膜日盲光电探测器，定制了交变栅压调制（Alternating Gate Modulation, AGM）方案（图1b,c）。与通过恒定栅极偏置对光敏沟道状态的传统控制方法不同，在单个探测周期中，AGM方案通过动态模式切换分别促进了高响应度和快衰减速度，从而一定程度上突破了光电探测器典型的RS困境问题（图1d）。

此外，随着上述AGM调控效果的证明，进行了5×5 规模a-GaOx阵列的紫外线成像的功能模拟，如图1e所示。在四种不同的操作条件下，即Vgs=-10 V、0 V、10 V和AGM模式，执行相同的光电探测任务并产生成像帧序列。每隔5秒，将字母“U”、“S”、“T”和“C”的图像（5×5像素）按顺序投影到阵列上。基于每个方案的所有成像帧的比较，可以看出，由于R和衰减速度的同步增强，AGM既能够实现最高的对比度，又不会因为死区过大而产生重影，因此，动态的AGM方案具有较好的成像应用潜力。

该AGM方案为基于低成本或低质量材料的光电探测器提供了跻身高性能器件的机会，有利于缓解高性能探测器对高质量材料的苛刻要求，从而降低产业化成本。

图1 (a) RS困境、(b,c) AGM偏置方案、(d) AGM方案下的响应特性改善、(e) 成像应用示范

该研究成果以“Breaking the responsivity-speed dilemma of a-GaOx photodetector by alternating gate modulation”为题发表在 Science China Information Sciences 2023年第66卷第12期。本文第一作者为中国科学技术大学博士毕业生张中方（现西湖大学博士后），通讯作者为中国科学技术大学微电子学院龙世兵教授、赵晓龙副研究员。该研究得到了国家自然科学基金项目以及中科大微纳研究与制造中心的支持。