Novo design para detector de fótons de alta energia, rápido e sensível

O Prof. Long Shibing e sua equipe da Universidade de Ciência e Tecnologia da China (USTC) da Academia Chinesa de Ciências (CAS) propuseram uma nova estratégia para um detector de fótons de alta energia com alta sensibilidade e velocidade de resposta, acoplando o efeito piroelétrico da interface com o efeito fotocondutor baseado em GaO policristalino rico em Ga_x (PGR-GaO_x) Fotodiodo Schottky.

O seu trabalho é publicado em Materiais avançados.

Detectores de fótons de alta energia (de ultravioleta profundo (DUV) a raios X) são cruciais para vários campos, incluindo segurança nacional, medicina, ciência industrial e assim por diante. No entanto, materiais semicondutores atuais como Si e α-Se sofrem com grandes correntes de fuga e baixos coeficientes de absorção de raios X, dificultando atender às demandas de detecção de alto desempenho.

Em contraste, o semicondutor GaO de banda larga (WBG) mostrou grande potencial na detecção de fótons de alta energia. Mas as inevitáveis ​​armadilhas de nível de energia profunda e a falta de design de estrutura de dispositivo eficaz do GaO tornaram desafiador obter detectores de fótons de alta energia com alta sensibilidade e alta velocidade de resposta com base no semicondutor WBG.

Para enfrentar esses desafios, a equipe do Prof. Long Shibing projetou um diodo fotocondutor piroelétrico (PPD) baseado em PGR-GaO_x pela primeira vez. Ao acoplar o efeito piroelétrico da interface com o efeito fotocondutor, o desempenho da detecção foi significativamente aprimorado.

O PPD apresenta alta sensibilidade tanto ao DUV quanto aos raios X, com responsividades de até 10⁴ AW^-1 e 10⁵ µCGy_ar^-1 cm^-2respectivamente, que são mais de 100 vezes maiores do que os detectores anteriores feitos de materiais semelhantes. Além disso, o efeito piroelétrico da interface induzido pela simetria polar na região de depleção de PGR-GaO_x pode melhorar muito a velocidade de resposta do detector em 10⁵ vezes, atingindo até 0,1 ms.

Comparado aos fotodiodos tradicionais, o PPD no modo autoalimentado gera maior ganho no momento da comutação da luz devido ao campo piroelétrico. Além disso, o PPD pode operar no modo de polarização, onde o ganho é altamente dependente da tensão de polarização. Ganho ultra-alto pode ser alcançado aumentando a tensão de polarização.

O PPD tem grande potencial para aplicações em sistemas de aprimoramento de imagens com baixo consumo de energia e alta sensibilidade. Este trabalho não apenas demonstra que o GaO_x é um material detector de fótons de alta energia altamente promissor, mas também fornece novas estratégias para a realização de detectores de fótons de alta energia e alto desempenho.