新型高感度光検出器

新しい高感度光検出器

最近、中国科学院（CAS）の研究チームは、多結晶ガリウムリッチ酸化ガリウム材料（PGR-GaOX）に基づき、高感度かつ高速応答を実現する新しい設計戦略を初めて提案した。光検出器高エネルギー光電検出器（深紫外線（DUV）からX線帯域まで）は、国家安全保障、医療、産業科学など、さまざまな分野で非常に重要です。

しかし、Siやα-Seなどの現在の半導体材料は、大きなリーク電流と低いX線吸収係数という問題があり、高性能検出のニーズを満たすことが困難です。一方、ワイドバンドギャップ（WBG）半導体である酸化ガリウム材料は、高エネルギー光電検出において大きな可能性を秘めています。しかし、材料側での避けられない深い準位トラップとデバイス構造の効果的な設計の欠如により、ワイドバンドギャップ半導体に基づく高感度かつ高速応答の高エネルギー光子検出器を実現することは困難です。これらの課題に対処するため、中国の研究チームは、PGR-GaOXに基づく焦電光伝導ダイオード（PPD）を初めて設計しました。界面焦電効果と光伝導効果を組み合わせることで、検出性能が大幅に向上しました。PPDは、深紫外光とX線の両方に対して高い感度を示し、応答速度はそれぞれ104A/Wと105μC×Gyair-1/cm2に達し、同様の材料で作られた従来の検出器よりも100倍以上高くなっています。さらに、PGR-GaOX空乏層の極性対称性によって生じる界面焦電効果により、検出器の応答速度を105倍向上させ、0.1msまで短縮できる。従来のフォトダイオードと比較して、自己給電型PPDSは、光スイッチング時の焦電電界により、より高いゲインが得られる。

さらに、PPDはバイアスモードで動作することができ、その場合、ゲインはバイアス電圧に大きく依存し、バイアス電圧を上げることで超高ゲインを実現できます。PPDは、低エネルギー消費かつ高感度なイメージング強調システムにおいて大きな応用可能性を秘めています。この研究は、GaOXが有望な材料であることを証明するだけでなく、高エネルギー光検出器材料に関する知見を提供するだけでなく、高性能・高エネルギー光検出器を実現するための新たな戦略も提示する。