中国科学家制造出具有创记录响应度的紫外线光电晶体管

对高效紫外光电探测器（UV PD）的追求已经持续了几十年，以满足火灾报警、太空探索、导弹探测、安全通信等民用和军用应用的要求。

迄今为止，已经提出并研究了基于GaN的UV PD的各种器件结构，例如p-i-n、肖特基和金属-半导体-金属（MSM）。除了这些传统构型之外，AlGaN(InAlN)/GaN 异质结结构（HEMT的关键构件）也受到了关注。

由于III族氮化物材料固有的极化效应，在AlGaN/GaN异质界面处存在高浓度和高流动性的二维电子气（2DEGs）。因此，这种UV PD通常具有大光电流(I_photo)、高光响应性(R)和类似晶体管的电气和光学性能。然而，自发形成的2DEG会导致较差的噪声性能，即器件运行期间的高暗电流(I_dark)和低检测率(D*)。

近日，由孙海定和龙世兵领导的中国科学技术大学（USTC）团队展示了一个基于AlGaN/GaN HEMT配置的UVPT，使用10/10nm Ni/Au半透明栅极，如图1（在页面顶部）所示。

当器件在关断状态偏置时，可以实现20 pA的低暗电流。更重要的是，可以获得优异的光电检测表现，其特征是在265nm UV照射下的峰值R值为3.6×10⁷A/W和在365nm UV照射下为1.0×10⁶A/W。这两个值是在关断状态条件下、相同的检测波长下，已报道的UV PD中创记录的高响应率。对UVPT的V_GS依赖性光反应的进一步研究表明，由于吸收性AlGaN阻挡层中的电场增加，更负的V_GS将显著减少265nm检测的上升/衰减时间。相比之下，V_GS对365nm检测的开关过程几乎没有影响，因为GaN通道具有较大的吸收深度并且器件在光电导模式下工作。

图2（a）和（b）为在不同光源下测量的UVPT传输特性图。

UVPT应在关闭状态下运行。因此，他们主要关注V_GS（栅极电压）<V_th（阈值电压）条件下的电学和光学特性。在黑暗条件下，该器件在截止区表现出约pA量级的低I_dark，以及在8V漏极电压(V_DS)下2.5×10⁸的开/关比，这为高性能UVPT奠定了基础。

此外，UVPT在265nm和365nm照明下的R和光-暗电流比(PDCR)值是从V_GS=-8.2V时的传输曲线中提取的，其中I_dark达到最低值20pA。在最高UV光强度下获得最大PDCR，即在3.75mW/cm²下265nm为8.1×10⁷，在7.00mW/cm²下365nm为3.6×10⁷。计算出峰值R值分别为3.6×10⁷(265nm，12μW/cm²)和1.0×10⁶(365nm，340μW/cm²)。需要注意的是，R在21.8μW/cm的365nm紫外光下达到第一个峰值6.9×10⁵，如图2(d)所示。

这可能是因为在弱光检测下，光诱导的载流子只能存在于AlGaN/GaN异质界面的耗尽通道中。当紫外线强度增加时，在下面的GaN通道中会产生多余的载流子，在340μW/cm²的强光照射下会出现第二个R峰。

此外，他们观察到器件在265nm和365nm光照下的上升时间(t_r)和衰减时间(t_d)之间存在明显差异，这可以归因于所构建的基于AlGaN/GaN的UVPT结构在器件中有不同吸收机制的独特器件工作原理。

最后，他们提到可以通过优化器件结构、生长技术、ICP蚀刻、蚀刻后处理和栅极金属沉积方案来进一步改进器件。AlGaN/GaN UVPT的这种卓越的光电探测行为提供了一种可行的器件架构，以促进未来基于宽带隙半导体的高性能UV PD的开发。