새로운 고감도 광검출기

새로운고감도 광검출기

최근 중국과학원(CAS)의 한 연구팀은 다결정 갈륨 함유 산화갈륨 소재(PGR-GaOX)를 기반으로 고감도 및 고속 응답 속도를 구현하는 새로운 설계 전략을 최초로 제안했습니다.광검출기결합된 계면 압전 효과와 광전도 효과를 통해, 관련 연구는 Advanced Materials High-energy에 발표되었습니다.광전 검출기심자외선(DUV)부터 X선 대역까지의 방사선은 국가 안보, 의학, 산업 과학을 포함한 다양한 분야에서 매우 중요합니다.

하지만 현재 사용되는 실리콘(Si)이나 알파-셀레늄(α-Se)과 같은 반도체 소재는 누설 전류가 크고 X선 흡수 계수가 낮아 고성능 검출에 필요한 조건을 충족하기 어렵습니다. 반면, 넓은 밴드갭(WBG) 반도체인 산화갈륨(GaOX) 소재는 고에너지 광전 검출에 큰 잠재력을 보여줍니다. 그러나 소재 자체의 불가피한 깊은 준위 트랩과 효과적인 소자 구조 설계의 부족으로 인해 넓은 밴드갭 반도체 기반의 고감도 및 고속 응답 고에너지 광자 검출기 구현에는 어려움이 있습니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 중국의 한 연구팀은 PGR-GaOX 기반의 초전도 광전도 다이오드(PPD)를 최초로 설계했습니다. 계면 초전도 효과와 광전도 효과를 결합함으로써 검출 성능을 크게 향상시켰습니다. 이 PPD는 심자외선(DUV)과 X선 모두에 대해 높은 감도를 보였으며, 응답 속도는 각각 최대 10⁴ A/W 및 10⁵ μC × Gyair⁻¹/cm²에 달하여 유사 소재로 제작된 기존 검출기보다 100배 이상 높습니다. 또한, PGR-GaOX 공핍 영역의 극성 대칭으로 인한 계면 압전 효과는 검출기의 응답 속도를 105배 향상시켜 0.1ms까지 높일 수 있습니다. 기존 포토다이오드와 비교했을 때, 자가 전원 모드 PPDS는 광 스위칭 시 발생하는 압전장으로 인해 더 높은 이득을 생성합니다.

또한 PPD는 바이어스 모드에서 작동할 수 있으며, 이 모드에서는 이득이 바이어스 전압에 크게 의존하고, 바이어스 전압을 증가시킴으로써 초고이득을 얻을 수 있습니다. PPD는 저에너지 소비 및 고감도 영상 향상 시스템에 적용될 가능성이 매우 높습니다. 본 연구는 GaOX가 유망한 소재임을 입증할 뿐만 아니라고에너지 광검출기이 연구는 소재에 관한 것일 뿐만 아니라 고성능 고에너지 광검출기를 구현하기 위한 새로운 전략을 제시합니다.