【廈門(mén)大學(xué)龍浩課題組】通過(guò)叉指結(jié)構(gòu)提高GaN/Ga2O3?PN結(jié)UVC光電探測(cè)器的性能
研究：
日盲（200-280 nm）紫外光電探測(cè)器（UVC PDs）在商業(yè)和軍事等領(lǐng)域都具有重要應(yīng)用。其中基于Ga2O3的UVC PD被認(rèn)為是目前*有前景的，分為金屬-半導(dǎo)體-金屬（MSM）型和PN結(jié)型。與MSM-PD相比，PN-PD由于內(nèi)置電場(chǎng)的存在而表現(xiàn)出優(yōu)異的瞬態(tài)性能。因此，基于β-Ga2O3的PN結(jié)型 UVC PDs近年來(lái)得到了廣泛的研究。然而，上述基于β-Ga2O3的PN結(jié)型 UVC PD通常缺乏對(duì)載流子收集和電場(chǎng)分布的考慮，無(wú)法實(shí)現(xiàn)更為優(yōu)異的響應(yīng)度和響應(yīng)速度。因此，探索新型的結(jié)構(gòu)以及設(shè)計(jì)相關(guān)的結(jié)構(gòu)參數(shù)以進(jìn)一步提高器件性能是非常必要的。
本工作通過(guò)在p-GaN/n-Ga2O3外延層上制備了具有指狀n-Ga2O3層和叉指電極的PN-PDs，證明了此結(jié)構(gòu)可顯著增強(qiáng)器件性能，并深入分析了此結(jié)構(gòu)的內(nèi)在增強(qiáng)機(jī)制。將叉指結(jié)構(gòu)應(yīng)用于p-GaN/n-Ga2O3異質(zhì)結(jié)UVCPDs，獲得了 2.76 μs （快速分量）和 31 μs（1/e 衰減）的超快瞬態(tài)特性、0.25 A W-1@0 V 和 41.6 A W-1 @-5 V 的高響應(yīng)度以及 8.2 × 103 的高 UVC 選擇比。叉指結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)電極周長(zhǎng)和窄電極間距不僅提高了0 V時(shí)的載流子收集效率，而且增加了負(fù)偏置時(shí)的內(nèi)置電場(chǎng)，使得PD的性能得到顯著提高。同時(shí)研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)在0 V自供電模式下，電極周長(zhǎng)是決定靜態(tài)和瞬態(tài)特性的唯一因素，而負(fù)偏置下電極間距是另一個(gè)重要因素。這項(xiàng)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(guān)鍵參數(shù)的設(shè)計(jì)，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(yīng)特性：
圖1. p-GaN/n-β-Ga2O3異質(zhì)結(jié)光電探測(cè)器的制備工藝流程圖。
圖2. a） 在0 V和-5 V偏置電壓下，PD叉指電極的周長(zhǎng)與其響應(yīng)度以及光譜選擇性之間的關(guān)系。b） PD在0 V時(shí)的載流子收集示意圖。 c） 施加偏置時(shí)PD的內(nèi)部載流子輸運(yùn)示意圖。
p-GaN/n-β-Ga2O3異質(zhì)結(jié)光電探測(cè)器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，分為平板大電極和叉指電極結(jié)構(gòu)。其中在構(gòu)建叉指PD組時(shí)有以下考慮：1）具有不同叉指數(shù)（周期）的叉指PD，用于研究電極周長(zhǎng)效應(yīng)（PD1、PD2、PD3和pad-PD）;2）在保持周期數(shù)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(chǎng)的影響（PD1-X（X=1至3）和PD2-X（X=1至4））。
圖2（a）總結(jié)了這些叉指PD的性能，發(fā)現(xiàn)器件周長(zhǎng)是決定0V時(shí)R的關(guān)鍵參數(shù)，而負(fù)偏置下電極間距（占空比）是另一個(gè)重要因素。由于PD1-3具有長(zhǎng)電極周長(zhǎng)以及窄電極間距，可以實(shí)現(xiàn)0.25 A W-1@0 V 和 41.6 A W-1 @-5 V 的高響應(yīng)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(jiǎn)化原理圖，隨著器件周長(zhǎng)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(nèi)部載流子的輸運(yùn)，隨著電極間距的減小，載流子在電場(chǎng)作用下可以更有效的向電極漂移，從而實(shí)現(xiàn)更優(yōu)異的性能。
GaN/Ga2O3 PN-PD 的時(shí)間響應(yīng)特性：
圖3. a） 用于測(cè)試瞬態(tài)脈沖光響應(yīng)的電路結(jié)構(gòu)示意圖。260 nm光照下叉指PD和平板電極PD的瞬態(tài)光響應(yīng)曲線b） 零偏置下；c） -10 V 偏置下。
圖4. 叉指PD在0 V 240 -380 nm脈沖激光照射下的響應(yīng)衰減過(guò)程（圖中橙色線對(duì)應(yīng)PD的1/e衰減時(shí)間）。
響應(yīng)速度是高頻PD中的另一個(gè)重要參數(shù)，它決定了光通信帶寬。本文中的光譜響應(yīng)速度數(shù)據(jù)使用北京卓立漢光儀器有限公司DSR600光電探測(cè)器光譜響應(yīng)度標(biāo)定系統(tǒng)檢測(cè)。圖3（a）顯示了用于測(cè)試瞬態(tài)脈沖光響應(yīng)的電路結(jié)構(gòu)示意圖。兩個(gè)PD在260 nm脈沖激光下的瞬態(tài)響應(yīng)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）的超快瞬態(tài)特性，優(yōu)于目前已報(bào)道的氧化鎵基異質(zhì)結(jié)光電探測(cè)器的*快結(jié)果。
圖4顯示了PD1-3在不同激發(fā)波長(zhǎng)下的響應(yīng)衰減過(guò)程。橙色線代表 PD1-3 的 1/e 衰減時(shí)間。在整個(gè)240 nm-380 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)，PD的響應(yīng)速度保持在數(shù)十微秒的量級(jí)，顯示出其超快的響應(yīng)特性。PD在260 nm光照射下表現(xiàn)出*快的響應(yīng)速度，對(duì)應(yīng)于Ga2O3的相干激發(fā)（吸收光譜為4.74 eV），消除了載流子弛豫時(shí)間。
性能比較：
圖5. 與其他已報(bào)道的 Ga2O3 基光電探測(cè)器的響應(yīng)度和快速響應(yīng)時(shí)間的性能比較。
課題組介紹：
龍浩， 廈門(mén)大學(xué) 電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 微電子與集成電路系 副教授。本科、博士畢業(yè)于北京大學(xué)物理學(xué)院。主要從事GaN、AlGaN、Ga2O3等寬禁帶半導(dǎo)體材料外延及光電、電子學(xué)器件的研究，研究領(lǐng)域涉及MOCVD外延、LED、日盲紫外探測(cè)器、功率二極管等。以*一或通訊作者發(fā)表SCI論文30余篇，授權(quán)**7項(xiàng)。先后主持國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、青年項(xiàng)目，以及福建省自然科學(xué)基金、廈門(mén)市青創(chuàng)基金、橫向開(kāi)發(fā)等項(xiàng)目。曾獲得2014年教育部科學(xué)技術(shù)進(jìn)步二等獎(jiǎng)、福建省B類(lèi)高層次人才、廈門(mén)市B類(lèi)高層次人才等獎(jiǎng)項(xiàng)。
蔡子靈，廈門(mén)大學(xué)2022級(jí)碩士研究生 。主要研究氧化鎵基日盲紫外探測(cè)器。
文章信息：
本文以“Enhancing Performance of GaN/Ga2O3 PN Junction UVC Photodetectors via Interdigitated Structure”為題發(fā)布在Small Methods期刊，廈門(mén)大學(xué)蔡子靈為*一作者，龍浩副教授為通訊作者。
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本文中的光譜響應(yīng)速度數(shù)據(jù)使用北京卓立漢光儀器有限公司DSR600光電探測(cè)器光譜響應(yīng)度標(biāo)定系統(tǒng)檢測(cè)。如需了解該產(chǎn)品，歡迎咨詢。
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