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      【廈門大學龍浩課題組】通過叉指結構提高GaN/Ga2O3 PN結UVC光電探測器的性能
      更新時間:2024-02-26瀏覽:468次

              日盲(200-280 nm)紫外光電探測器(UVC PDs)商業和軍事等領域都具有重要應用。其中基于Ga2O3的UVC PD被認為是目前最有前的,分為金屬-半導體-金屬(MSM)和PN結型。與MSM-PD相比,PN-PD由于內置電場的存在而表現出優異的瞬態性能。因此,基于β-Ga2O3的PN結型 UVC PDs近年來得到了廣泛的研究。然而,上述基于β-Ga2O3的PN結型 UVC PD通常缺乏對載流子收集和電場分布的考慮,無法實現更為優異的響應度和響應速度。因此,探索新型的結構以及設計相關的結構參數進一步提高器件性能是非常必要的。

      本工作通過在p-GaN/n-Ga2O3外延層上制備了具有指狀n-Ga2O3叉指電極的PN-PDs,證明了此結構可顯著增強器件性能,并深入分析了此結構的內在增強機制。叉指結構應用于p-GaN/n-Ga2O3異質結UVCPDs,獲得了 2.76 μs 快速分量和 31 μs1/e 衰減超快瞬態特性、0.25 A W-1@0 V 和 41.6 A W-1 @-5 V 的高響應度以及 8.2 × 103 的高 UVC 選擇比。叉指結構的長電極周長和窄電極間距不僅提高了0 V時的載流子收集效率,而且增加了負偏置時的內置電場,使得PD的性能得到顯著提高。同時研究團隊發現在0 V自供電模式下,電極周長是決定靜態和瞬態特性的唯一因素,而負偏置下電極間距是另一個重要因素。這項工作不僅提出了一種高性能的PD,而且還研究了基于氧化鎵的PN-PD的關鍵參數的設計,為探索高性能的氧化鎵基PD提供了新思路。

       

      GaN/Ga2O3 PN-PD 的光響應特性

       

      img1 

       

      圖1. p-GaN/n-β-Ga2O3異質結光電探測器的制備工藝流程圖。

      img2 

      圖2. a) 在0 V和-5 V偏置電壓下,PD叉指電極的周長其響應度以及譜選擇性之間的關系。b) PD在0 V時的載流子收集示意圖。 c) 施加偏置時PD的內部載流子輸運示意圖。

      p-GaN/n-β-Ga2O3異質結光電探測器的結構示意圖如圖1所示,分為平板大電極和叉指電極結構。其中在構建叉指PD組時有以下考慮:1)具有不同指數(周期)的叉指PD,用于研究電極周長效應(PD1、PD2、PD3和pad-PD);2)在保持周期數不變的情況下,具有不同占空比和電極間距的叉指PDs,以研究電場的影響(PD1-X(X=1至3)和PD2-X(X=1至4))。

      圖2(a)總結了這些叉指PD的性能,發現器件周長是決定0V時R的關鍵參數,而負偏置下電極間距(占空比)是另一個重要因素。由于PD1-3具有長電極周長以及電極間距,可以實現0.25 A W-1@0 V 和 41.6 A W-1 @-5 V 的高響應度以及 8.2 × 103 的高 UVC 選擇比。圖2(b)描繪了PD中外部載流子收集的簡化原理圖,隨著器件周長的增加,載流子收集率增加。圖2(c描繪了PD在偏置電壓下的內部載流子的輸運,隨著電極間距的減小,載流子在電場作用下可以更有效的向電極漂移,從而實現更優異的性能。

       

       

      GaN/Ga2O3 PN-PD 時間響應特性:

      img3 

      圖3. a) 用于測試瞬態脈沖光響應的電路結構示意圖。260 nm光照下叉指PD和平板電極PD的瞬態光響應曲線b) 零偏置下;c) -10 V 偏置下。

      img4 

      圖4. 叉指PD在0 V 240 -380 nm脈沖激光照射下的響應衰減過程(圖中橙色線對應PD的1/e衰減時間)。

      響應速度是高頻PD中的另一個重要參數,它決定了光通信帶寬。本文中的光譜響應速度數據使用北京卓立漢光儀器有限公司DSR600光電探測器光譜響應度標定系統檢測。圖3(a)顯示了用于測試瞬態脈沖光響應的電路結構示意圖。兩個PD在260 nm脈沖激光下的瞬態響應如圖3(b,c所示。在0 V偏置下,叉指PD獲得了 2.76 μs 快速分量和 31 μs(1/e 衰減)超快瞬態特性,優于目前已報道的氧化鎵基異質結光電探測器的最快結果。

      4顯示了PD1-3在不同激發波長下的響應衰減過程。色線代表 PD1-3 的 1/e 衰減時間。在整個240 nm-380 nm波長范圍內,PD的響應速度保持在數十微秒的量級,顯示出其超快的響應特性。PD在260 nm光照射下表現出最快的響應速度,對應于Ga2O3的相干激發(吸收光譜為4.74 eV),消除了載流子弛豫時間。

      性能比較

      img5 

      圖5. 與其他報道的 Ga2O3 光電探測器的響應度和快速響應時間的性能比較。

      課題組介紹:

      龍浩, 廈門大學 電子科學與技術學院 微電子與集成電路系 副教授。本科、博士畢業于北京大學物理學院。主要從事GaN、AlGaN、Ga2O3等寬禁帶半導體材料外延及光電、電子學器件的研究,研究領域涉及MOCVD外延、LED、日盲紫外探測器、功率二極管等。以第一或通訊作者發表SCI論文30余篇,授權專利7項。先后主持國家自然科學基金面上項目、青年項目,以及福建省自然科學基金、廈門市青創基金、橫向開發等項目。曾獲得2014年教育部科學技術進步二等獎、福建省B類高層次人才、廈門市B類高層次人才等獎項。

       

      蔡子靈,廈門大學2022級碩士研究生 。主要研究氧化鎵基日盲紫外探測器。

       

      文章信息:

        本文以“Enhancing Performance of GaN/Ga2O3 PN Junction UVC Photodetectors via Interdigitated Structure”為題發布在Small Methods期刊,廈門大學蔡子靈為第一作者,龍浩副教授為通訊作者。

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