【厦门大学龙浩课题组】通过叉指结构提高GaN/Ga2O3 PN结UVC光电探测器的性能

        日盲（200-280 nm）紫外光电探测器（UVC PDs）在商业和军事等领域都具有重要应用。其中基于Ga2O3的UVC PD被认为是目前最有前景的，分为金属-半导体-金属（MSM）型和PN结型。与MSM-PD相比，PN-PD由于内置电场的存在而表现出优异的瞬态性能。因此，基于β-Ga2O3的PN结型 UVC PDs近年来得到了广泛的研究。然而，上述基于β-Ga2O3的PN结型 UVC PD通常缺乏对载流子收集和电场分布的考虑，无法实现更为优异的响应度和响应速度。因此，探索新型的结构以及设计相关的结构参数以进一步提高器件性能是非常必要的。

本工作通过在p-GaN/n-Ga2O3外延层上制备了具有指状n-Ga2O3层和叉指电极的PN-PDs，证明了此结构可显著增强器件性能，并深入分析了此结构的内在增强机制。将叉指结构应用于p-GaN/n-Ga2O3异质结UVCPDs，获得了 2.76 μs （快速分量）和 31 μs（1/e 衰减）的超快瞬态特性、0.25 A W-1@0 V 和 41.6 A W-1 @-5 V 的高响应度以及 8.2 × 103 的高 UVC 选择比。叉指结构的长电极周长和窄电极间距不仅提高了0 V时的载流子收集效率，而且增加了负偏置时的内置电场，使得PD的性能得到显著提高。同时研究团队发现在0 V自供电模式下，电极周长是决定静态和瞬态特性的唯一因素，而负偏置下电极间距是另一个重要因素。这项工作不仅提出了一种高性能的PD，而且还研究了基于氧化镓的PN-PD的关键参数的设计，为探索高性能的氧化镓基PD提供了新思路。

GaN/Ga2O3 PN-PD 的光响应特性：

图1. p-GaN/n-β-Ga2O3异质结光电探测器的制备工艺流程图。

图2. a） 在0 V和-5 V偏置电压下，PD叉指电极的周长与其响应度以及光谱选择性之间的关系。b） PD在0 V时的载流子收集示意图。 c） 施加偏置时PD的内部载流子输运示意图。

p-GaN/n-β-Ga2O3异质结光电探测器的结构示意图如图1所示，分为平板大电极和叉指电极结构。其中在构建叉指PD组时有以下考虑：1）具有不同叉指数（周期）的叉指PD，用于研究电极周长效应（PD1、PD2、PD3和pad-PD）;2）在保持周期数不变的情况下，具有不同占空比和电极间距的叉指PDs，以研究电场的影响（PD1-X（X=1至3）和PD2-X（X=1至4））。

图2（a）总结了这些叉指PD的性能，发现器件周长是决定0V时R的关键参数，而负偏置下电极间距（占空比）是另一个重要因素。由于PD1-3具有长电极周长以及窄电极间距，可以实现0.25 A W-1@0 V 和 41.6 A W-1 @-5 V 的高响应度以及 8.2 × 103 的高 UVC 选择比。图2（b）描绘了PD中外部载流子收集的简化原理图，随着器件周长的增加，载流子收集率增加。图2（c）描绘了PD在偏置电压下的内部载流子的输运，随着电极间距的减小，载流子在电场作用下可以更有效的向电极漂移，从而实现更优异的性能。

GaN/Ga2O3 PN-PD 的时间响应特性：

图3. a） 用于测试瞬态脉冲光响应的电路结构示意图。260 nm光照下叉指PD和平板电极PD的瞬态光响应曲线b） 零偏置下；c） -10 V 偏置下。

图4. 叉指PD在0 V 240 -380 nm脉冲激光照射下的响应衰减过程（图中橙色线对应PD的1/e衰减时间）。

响应速度是高频PD中的另一个重要参数，它决定了光通信带宽。本文中的光谱响应速度数据使用北京卓立汉光仪器有限公司DSR600光电探测器光谱响应度标定系统检测。图3（a）显示了用于测试瞬态脉冲光响应的电路结构示意图。两个PD在260 nm脉冲激光下的瞬态响应如图3（b，c）所示。在0 V偏置下，叉指PD获得了 2.76 μs （快速分量）和 31 μs（1/e 衰减）的超快瞬态特性，优于目前已报道的氧化镓基异质结光电探测器的最快结果。

图4显示了PD1-3在不同激发波长下的响应衰减过程。橙色线代表 PD1-3 的 1/e 衰减时间。在整个240 nm-380 nm波长范围内，PD的响应速度保持在数十微秒的量级，显示出其超快的响应特性。PD在260 nm光照射下表现出最快的响应速度，对应于Ga2O3的相干激发（吸收光谱为4.74 eV），消除了载流子弛豫时间。

性能比较：

图5. 与其他已报道的 Ga2O3 基光电探测器的响应度和快速响应时间的性能比较。

课题组介绍：

龙浩， 厦门大学 电子科学与技术学院 微电子与集成电路系 副教授。本科、博士毕业于北京大学物理学院。主要从事GaN、AlGaN、Ga2O3等宽禁带半导体材料外延及光电、电子学器件的研究，研究领域涉及MOCVD外延、LED、日盲紫外探测器、功率二极管等。以第一或通讯作者发表SCI论文30余篇，授权专利7项。先后主持国家自然科学基金面上项目、青年项目，以及福建省自然科学基金、厦门市青创基金、横向开发等项目。曾获得2014年教育部科学技术进步二等奖、福建省B类高层次人才、厦门市B类高层次人才等奖项。

蔡子灵，厦门大学2022级硕士研究生 。主要研究氧化镓基日盲紫外探测器。

文章信息：

  本文以“Enhancing Performance of GaN/Ga2O3 PN Junction UVC Photodetectors via Interdigitated Structure”为题发布在Small Methods期刊，厦门大学蔡子灵为第一作者，龙浩副教授为通讯作者。

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