?紫外光電探測(cè)器作為紫外光信號(hào)感知與轉(zhuǎn)換的核心元件，在航空航天、防災(zāi)減災(zāi)及生態(tài)監(jiān)控等領(lǐng)域具有戰(zhàn)略意義。氮化鎵（GaN）材料憑借其3.4 eV的寬禁帶特性和直接帶隙結(jié)構(gòu)，是制備高性能紫外探測(cè)器的理想選擇之一。然而，受限于材料本征缺陷及常規(guī)器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，現(xiàn)有的GaN基金屬-半導(dǎo)體-金屬（MSM）/PIN型探測(cè)器通常存在響應(yīng)度低、紫外-可見截止比小、響應(yīng)速度慢、暗電流偏高等瓶頸問題，嚴(yán)重制約了其在瞬態(tài)光信號(hào)捕獲、高精度計(jì)量等尖端領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用。
中國(guó)科學(xué)院蘇州納米所孫錢研究員團(tuán)隊(duì)與土耳其博盧阿巴特伊茲特貝薩爾大學(xué)Yilmaz Ercan教授團(tuán)隊(duì)展開聯(lián)合攻關(guān)，成功開發(fā)出基于常關(guān)型GaN高電子遷移率晶體管（HEMT）的高性能紫外探測(cè)器，顯著提升了響應(yīng)度、紫外-可見截止比、響應(yīng)速度，為智能傳感、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域提供了創(chuàng)新解決方案。該系列研究工作發(fā)表于ACS Photonics11, 180 (2024)、Applied Physics Letters 126, 192101 (2025)、IEEE Transactions on Electron Devices72, 1993 (2025)。
高速P型柵GaN HEMT紫外探測(cè)器
研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并制備了基于P型柵GaN HEMT結(jié)構(gòu)的紫外探測(cè)器，其核心性能指標(biāo)表現(xiàn)優(yōu)異：在360 nm紫外光照射下，器件實(shí)現(xiàn)了8×10 A/W的光響應(yīng)度與1.8×10 的紫外/可見光抑制比。通過柵極p-n結(jié)內(nèi)建電場(chǎng)對(duì)持續(xù)光電導(dǎo)效應(yīng)的有效抑制，實(shí)現(xiàn)了亞毫秒級(jí)快速響應(yīng)特性，實(shí)測(cè)瞬態(tài)光照響應(yīng)的上升/下降時(shí)間分別達(dá)到0.12 ms和1.0 ms。器件的暗電流5.44×10 A、光電流4.42×10 A、外量子效率2.77×10 %、探測(cè)率8.31×10 Jones。本研究提出的新結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了光電導(dǎo)型探測(cè)器的高靈敏度與光伏型探測(cè)器的快速響應(yīng)優(yōu)勢(shì)的融合，在紫外信號(hào)探測(cè)與空間科學(xué)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。
該工作以High-Speed Ultraviolet Photodetector based on p-GaN Gate HEMT for Flame Monitoring為題發(fā)表于IEEE Transactions on Electron Devices72, 1993 (2025)。
圖1. (a) p型柵氮化鎵HEMT探測(cè)器的結(jié)構(gòu)示意圖、(b) 240 – 400nm紫外光響應(yīng)譜、(c) 瞬態(tài)光響應(yīng)測(cè)試的電路示意圖、(d) 瞬態(tài)光響應(yīng)測(cè)試波形。
在實(shí)際應(yīng)用中，紫外光電探測(cè)器需要暴露于包括大溫度變化范圍在內(nèi)的多種復(fù)雜環(huán)境條件下，這對(duì)其光電檢測(cè)性能的穩(wěn)定性提出了新的挑戰(zhàn)，尤其在深空探測(cè)、極地科考等尖端領(lǐng)域，器件需要面臨低溫的工作環(huán)境。這種溫度的變化可能導(dǎo)致檢測(cè)信號(hào)失真、誤報(bào)率升高乃至器件失效。研究團(tuán)隊(duì)依托納米真空互聯(lián)實(shí)驗(yàn)站，采用紫外-太赫茲全光譜光電測(cè)試探針臺(tái)，對(duì)基于p型柵GaN HEMT的紫外光電探測(cè)器在低溫環(huán)境中的光響應(yīng)特性展開了系統(tǒng)而深入的研究工作。研究結(jié)果顯示，該器件在低溫運(yùn)行條件下，峰值響應(yīng)率、光暗電流比以及探測(cè)率分別達(dá)到了2.8×10 A/W、3.7×10 與3.2×10 Jones，上述數(shù)據(jù)表明該器件在低溫探測(cè)應(yīng)用場(chǎng)景下的巨大潛力。研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步解析了光生載流子與材料缺陷之間的復(fù)雜相互作用機(jī)制。通過對(duì)光電流衰減行為的分析，明確了兩個(gè)陷阱能級(jí)在不同溫度區(qū)間主導(dǎo)了載流子復(fù)合動(dòng)力學(xué)過程。這一發(fā)現(xiàn)不僅為闡釋器件的持續(xù)光電導(dǎo)現(xiàn)象提供了關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)證據(jù)，更為提升低溫光電探測(cè)器的探測(cè)率與響應(yīng)速度等核心性能指標(biāo)指明了方向。
該工作以Photoresponsivity of p-GaN HEMT-based ultraviolet photodetectors at low temperatures為題發(fā)表于Applied Physics Letters 126, 192101 (2025)。
圖2. (a) 紫外-太赫茲全光譜光電探針臺(tái)的照片、(b) 變溫條件下光電流特性測(cè)試、(c) 響應(yīng)度隨溫度及光強(qiáng)變化的變化關(guān)系；(d) 不同溫度下的瞬態(tài)光電響應(yīng)特性測(cè)試。
高響應(yīng)度凹槽柵AlGaN/GaN雙溝道HEMT紫外探測(cè)器
為了進(jìn)一步提升HEMT探測(cè)器的響應(yīng)度，解決p-GaN柵吸收紫外光導(dǎo)致的損耗問題，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出了AlGaN/GaN雙溝道紫外光電探測(cè)器的結(jié)構(gòu)。該器件通過雙二維電子氣溝道設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了性能突破：一方面，采用原位生長(zhǎng)的超薄AlGaN下勢(shì)壘層，不僅使器件具備常關(guān)工作特性，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)并降低功耗；另一方面，通過在AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)中引入GaN插入層，有效緩解了刻蝕工藝對(duì)主導(dǎo)光電流的下層二維電子氣溝道產(chǎn)生的損傷。實(shí)驗(yàn)表明，在9.7 μW/cm 紫外光照射下，器件展現(xiàn)出2.1×10 A/W的高響應(yīng)度和1.7×10 Jones的比探測(cè)率，證實(shí)了其對(duì)弱光信號(hào)檢測(cè)能力。同時(shí)，在500 Hz脈沖光照條件下，器件仍保持了優(yōu)異的瞬態(tài)響應(yīng)特性。這種兼具工藝簡(jiǎn)潔性和性能優(yōu)勢(shì)的雙溝道結(jié)構(gòu)，為開發(fā)新一代高性能紫外光探測(cè)器提供了創(chuàng)新的技術(shù)路徑，在光通信、空間探測(cè)等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用前景。
該工作以Ultrahigh-Responsivity Ultraviolet Photodetectors based on AlGaN/GaN Double-Channel High-Electron-Mobility Transistors為題發(fā)表于ACS Photonics11, 180 (2024)。
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圖3. (a) AlGaN/GaN雙溝道HEMT外延結(jié)構(gòu)的截面透射電鏡圖像、(b) 器件結(jié)構(gòu)示意圖、(c) 不同光強(qiáng)下光電流特性測(cè)試、(c) 響應(yīng)度隨光強(qiáng)變化的變化關(guān)系。
上述工作得到了中國(guó)科學(xué)院國(guó)際合作項(xiàng)目等資助，同時(shí)得到了半導(dǎo)體顯示材料與芯片重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、納米真空互聯(lián)實(shí)驗(yàn)站（Nano-X）、納米加工平臺(tái)、測(cè)試分析平臺(tái)等部門的支持。