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PR Highlight (Vol. 11, Iss. 7): 可直接探测亚fW信号:准赝晶结构日盲紫外光电晶体管

发布:lina000288阅读:584时间:2024-2-20 11:02:22

可直接探测亚fW信号:准赝晶结构日盲紫外光电晶体管

 

Photonics Research 2023年第7期Editors’ Pick:

 

Jiabing Lu, Zesheng Lv, Hao Jiang. lGaN solar-blind phototransistor capable of directly detecting sub-fW signals: self-depletion and photorecovery of full-channel 2DEG enabled by a quasi-pseudomorphic structure [J]. Photonics Research, 2023, 11(7): 1217

 

日盲紫外光电探测在**、电力工业和民用场景中有着重要应用。近年来,因检测模块的小型化、节能化和智能化发展需求,基于固态半导体的深紫外光电探测器备受关注。然而,火焰探测、高压电晕放电监测、以及紫外线天文学这些关键应用通常要求日盲紫外探测器具备亚fW级的灵敏度。虽然这一性能要求也符合当前追求单光子探测的发展趋势,但对半导体探测器的信号响应能力提出了巨大要求。

 

作为低维结构中载流子存在和传输的一种典型形式,二维电子气因其高电子密度和高迁移率,被广泛应用于高增益高速场效应光电晶体管中。基于GaAs、InP和GaN材料的二维电子气沟道场效应光电晶体管在太赫兹、红外和紫外波段均已表现出高探测率的探测性能。但是,影响这类光电晶体管性能的突出问题之一是,在黑暗和照明条件下同时存在的二维电子气导致的器件信噪比与灵敏度低下。

 

以往的研究工作通常从器件结构出发,即引入肖特基势垒或PN结型栅极来耗尽栅极下方沟道中的二维电子气,而不是从材料上寻找解决方案。其结果是,尽管这些工作推动了AlGaN基日盲场效应光电晶体管器件的发展,但同时增加了器件制造和电连接的复杂性,并且难以确保低暗电流。

 

为解决上述问题,中山大学江灏教授团队提出一种基于准赝晶AlGaN异质结构的新型探测器件来实现二维电子气沟道的自耗尽和光恢复,并且该具有内建光控栅极的两端场效应光电晶体管可直接探测到亚fW日盲信号。相关研究成果发表于Photonics Research 2023年第7期。

 

如图1(a)所示,该器件结构通过使用相对薄的AlGaN沟道层和渐变AlxGa1-xN层抑制应变弛豫,从而实现准赝晶外延。在自发极化和压电极化中,与应变相关的压电极化具有可调度,而该准赝晶结构就是利用调控压电极化来消除势垒/沟道界面处的二维电子气,即产生沟道二维电子气的自耗尽效应。这种势垒/沟道异质结与通常的场效应光电晶体管不同,势垒层是压缩应变的,这使得压电极化在相反的方向上部分抵消自发极化,从而减小沟道电子面密度,甚至使沟道电子面密度趋向于0。

 

图1(a)具有欧姆接触电极的光电晶体管的截面示意图(左);压缩应变Al0.55Ga0.45N/Al0.47Ga0.53N异质结中自发极化和压电极化的极化方向(右);(b)平面光电晶体管的阵列示意图;(c)在10 V下提取的器件探测率与入射光功率的变化曲线。

 

图1(b)展示了所得平面光电晶体管的阵列示意图。此外,由图1(c)也可看出器件具备亚fW光信号的探测能力,其在光功率为0.6 fW时最大探测率达到4.5×1021 Jones,表明这一新型探测器对微弱日盲紫外信号具有高的感测能力。研究组还构建了器件光电流计算模型,所得模型计算值(实线)与实际测量值(点)非常一致,证实了该光电晶体管的高灵敏探测机制在于内建极化光栅作用下的沟道电子自耗尽和光恢复效应。

 

论文通讯作者江灏教授表示:“该工作提出了一种基于准赝晶结构的超高灵敏AlGaN日盲场效应光电晶体管。通过全沟道二维电子气的自耗尽和光恢复,只需使用简单、有效和易于集成的结构,就可实现对载流子的调控和亚fW光信号的直接探测。”

 

后续团队将进一步开展基于其他极化材料的内建极化光栅场效应光电晶体管结构研究,进一步实现包括可见光波段在内的其它波段超高灵敏固态探测的突破。