GaN 外延材料及其自供電紫外光電探測(cè)器研究進(jìn)展

供稿|卜俊飛，鄭旭陽(yáng)，林正梁，胡星，李屹，劉平安，李國(guó)強(qiáng)，王文樑

內(nèi)容導(dǎo)讀

近年來(lái)，自供電GaN 基紫外光電探測(cè)器憑借具有的紫外敏感性、高穩(wěn)定性及便攜應(yīng)用等特點(diǎn)，在紫外通信、紫外輻射檢測(cè)以及導(dǎo)彈追蹤等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。但其發(fā)展依舊面臨著材料位錯(cuò)密度高、器件性能差、器件集成度低等問(wèn)題。為了解決上述問(wèn)題，科研工作者開(kāi)展系統(tǒng)地研究并取得了重要進(jìn)展。本文從材料缺陷控制、器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和器件集成應(yīng)用三個(gè)方面討論了自供電GaN 基紫外光電探測(cè)器的研究進(jìn)展，并展望了其發(fā)展前景。

近年來(lái)，紫外光電探測(cè)產(chǎn)業(yè)呈快速增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)。自供電紫外光電探測(cè)器具有高響應(yīng)性能、快響應(yīng)速度等特點(diǎn)，在紫外通信、紫外輻射檢測(cè)以及導(dǎo)彈追蹤等眾多領(lǐng)域都有重要的應(yīng)用前景[1]。目前紫外光電探測(cè)器的主流仍為硅（Si）基探測(cè)器；Si 作為一種間接帶隙半導(dǎo)體（帶隙約為1.12 eV），截止波長(zhǎng)約為1100 nm，本征吸收不在紫外波段，故Si 基紫外光電探測(cè)器需加裝濾光片才能實(shí)現(xiàn)高效紫外探測(cè)[2]。相比之下，新興的氮化鎵（GaN）材料作為一種直接帶隙半導(dǎo)體，具有更寬的帶隙（約為3.4 eV）和更好的載流子分離能力，突破了Si 材料的物理極限[3-5]。

憑借GaN 材料的能帶特性，自供電GaN 基紫外光電探測(cè)器截止波長(zhǎng)可達(dá)到365 nm，且無(wú)需加裝濾光片，體現(xiàn)出遠(yuǎn)超Si 的紫外探測(cè)潛能；同時(shí)，GaN出色的熱導(dǎo)率（2.2 W·cm-1·K-1）使器件擁有優(yōu)良的散熱性能；此外，自供電GaN 基紫外光電探測(cè)器，可在無(wú)外加電源下運(yùn)作，具有更小的尺寸、更低的功耗[6]，極大降低了運(yùn)行成本并提高系統(tǒng)的便攜性，有利于器件的集成化發(fā)展。

目前，自供電GaN 基紫外光電探測(cè)器與外延材料已經(jīng)取得長(zhǎng)足發(fā)展；主要涉及外延生長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與器件集成3 方面。（1）在外延生長(zhǎng)方面，研究人員提出插入層技術(shù)、低溫生長(zhǎng)技術(shù)和選區(qū)生長(zhǎng)技術(shù)等控制因GaN 與常用襯底之間存在較大的晶格失配和熱失配產(chǎn)生的缺陷，提升GaN 材料晶體質(zhì)量[7]；（2）在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，研究人員通過(guò)構(gòu)造p-n 異質(zhì)結(jié)構(gòu)、肖特基結(jié)構(gòu)等，加速材料內(nèi)電子-空穴對(duì)的分離，大幅度提高光利用率、響應(yīng)度等性能參數(shù)；（3）器件集成方面，探測(cè)器與加熱器件、光電子器件等集成，實(shí)現(xiàn)多功能化利用。最后，本文還對(duì)自供電GaN 基紫外光電探測(cè)器件發(fā)展面臨的問(wèn)題及前景進(jìn)行討論與展望。

外延生長(zhǎng)

GaN 材料在生長(zhǎng)過(guò)程中產(chǎn)生的缺陷主要來(lái)自于晶格失配、熱失配和殘余應(yīng)力等，并主要以位錯(cuò)的形式存在于材料中。在本節(jié)中，綜述了插入層技術(shù)、低溫生長(zhǎng)技術(shù)和選區(qū)生長(zhǎng)技術(shù)這3 種調(diào)控材料內(nèi)部位錯(cuò)密度的方法。

插入層技術(shù)

插入層技術(shù)是一種常用的異質(zhì)外延輔助技術(shù)，可有效地控制材料缺陷。通過(guò)在襯底上預(yù)先沉積插入層，來(lái)緩解襯底與材料間因晶格失配、熱失配而產(chǎn)生的應(yīng)力，進(jìn)而降低缺陷密度[8]。此外，該技術(shù)還可提高外延材料與襯底的潤(rùn)濕性[9]，以獲得光滑表面。

氮化鋁（AlN）和鋁鎵氮（AlGaN）作為常用的外延插入層材料，憑借相近的晶格參數(shù)與熱膨脹系數(shù)，可減小GaN 與襯底間的晶格失配和熱失配，降低缺陷密度，提高薄膜質(zhì)量和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。2017年，Sun 等[10]在四氫碳化硅（4H-SiC）襯底上利用厚度為1.7±0.5 nm 的超薄AlN 或AlGaN 插入層獲得了GaN 材料。插入層的存在緩解了內(nèi)部應(yīng)力，獲得的GaN 外延薄膜邊緣位錯(cuò)密度小于8.90×107cm-2，其原子力顯微鏡（AFM）圖像如圖1(a)所示。

圖1 (a) 低壓比下SiC 上GaN 的AFM 表面形貌[10]；(b) 90 nm 的AlGaN 緩沖層GaN AFM 表征圖[11]；(c) 緩沖層作用的表面形態(tài)[12]；(d) 異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)及二維電子氣分布[13]

2021 年，F(xiàn)eng 等[11]通過(guò)金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）法，對(duì)碳化硅（SiC）襯底進(jìn)行三甲基鋁（C3H9Al）預(yù)處理后再生長(zhǎng)GaN 外延薄膜。結(jié)果表明，界面處形成了厚度為90 nm 的AlGaN 緩沖層。該緩沖層作為掩模，防止GaN 外延薄膜生長(zhǎng)過(guò)程中的位錯(cuò)向上穿線，有助于降低位錯(cuò)密度。獲得的薄膜均方根粗糙度（RMS）低至0.28 nm（5 μm×5 μm），螺位錯(cuò)密度低于6.5×107cm-2，圖1(b)為對(duì)應(yīng)的原子力顯微表征圖，更為重要的是，該研究提供了一種生長(zhǎng)插入層的新思路。2022 年，Arifin 等[12]研究了低溫生長(zhǎng)的GaN 和AlN 作為緩沖層對(duì)非極性GaN 生長(zhǎng)的影響。在未含緩沖層的情況下，生長(zhǎng)出的GaN 薄膜為多晶結(jié)構(gòu)，較低的成核率使之形成分離的島狀結(jié)構(gòu)。然而，在引入緩沖層充當(dāng)生長(zhǎng)掩膜后，襯底和GaN 薄膜之間的界面能降低，加速成核島合并，獲得更光滑的表面，圖1(c)列出了緩沖層作用下的表面形態(tài)。

除了降低位錯(cuò)密度，插入層還可改善薄膜的電學(xué)性能。Chen 等[13]通過(guò)MOCVD 沉積414 nm 的超厚AlN 插入層，插入層的超級(jí)背勢(shì)壘（SBB）提升了GaN 外延薄膜的電學(xué)性能，如圖1(d)所示，其二維電子氣（2DEG）遷移率可達(dá)到2199 cm2·V-1·s-1，適合應(yīng)用于各類(lèi)光電器件。

低溫成核層技術(shù)

為進(jìn)一步降低材料缺陷密度，研究人員將插入層技術(shù)延伸發(fā)展，提出低溫成核層技術(shù)。此技術(shù)常被用于兩步生長(zhǎng)法中，先低溫生長(zhǎng)成核層，再高溫生長(zhǎng)功能層，位錯(cuò)被限制在成核層內(nèi)，進(jìn)而降低功能層的位錯(cuò)缺陷。

早在2009 年，Kawamura 等[14]就通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了兩步生長(zhǎng)法可降低GaN 位錯(cuò)密度，如圖2(a)所示。在此基礎(chǔ)上，2015 年，Shang 等[15]將這一技術(shù)應(yīng)用于GaN 外延薄膜的制備。該團(tuán)隊(duì)報(bào)道了藍(lán)寶石襯底上采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）技術(shù)制備高質(zhì)量GaN 外延薄膜：先在570 ℃下生長(zhǎng)低溫層，隨后升溫到1080 ℃生長(zhǎng)功能層，在成核層中位錯(cuò)被充分釋放，功能層貫穿位錯(cuò)（Threading dislocations）密度可低至2×108cm-2，如圖2(b)所示。

在此基礎(chǔ)上，研究人員將低溫成核層技術(shù)與其他技術(shù)相結(jié)合，獲得更高質(zhì)量的GaN 外延薄膜。2018 年，Woo 等[16]利用金屬遷移增強(qiáng)的外延生長(zhǎng)技術(shù)，將低溫下金屬催化劑形成的金屬簇作為晶種，產(chǎn)生大量的成核位點(diǎn)，從而生長(zhǎng)出螺旋位錯(cuò)（Screw dislocation）密度低至4.2×108cm-2的GaN 外延薄膜，如圖2(c)所示。圖2(d)所示，這種低溫生長(zhǎng)的低溫氮化鎵（LT-GaN）具有光滑的表面（RMS 為0.38 nm）。

選區(qū)生長(zhǎng)技術(shù)

低溫成核層技術(shù)便于生長(zhǎng)大面積、低成本的GaN 外延薄膜，但一般需要轉(zhuǎn)移、刻蝕等后處理才可應(yīng)用于特定器件的制備中。相比之下，選區(qū)生長(zhǎng)技術(shù)能直接在限定區(qū)域內(nèi)獲得高質(zhì)量GaN 材料，降低了器件制備難度。

選區(qū)生長(zhǎng)技術(shù)將材料的生長(zhǎng)限制在窗口內(nèi)，如圖3(a) 所示，這種技術(shù)可以抑制位錯(cuò)的橫向遷移，減小位錯(cuò)衍生的概率；同時(shí)通過(guò)位錯(cuò)瓶頸機(jī)制，減小位錯(cuò)向上位移的概率[17]；此外，還可以避免形成結(jié)合面，更好的調(diào)控納米結(jié)構(gòu)的尺寸[18]。2000 年，Suda 等[19]通過(guò)選區(qū)生長(zhǎng)首次在3C-SiC 襯底上得到了GaN 外延薄膜，如圖3(b)。該團(tuán)隊(duì)采用SiO2作為掩膜，使用金屬氧化物分子束外延（MOMBE）方法，控制襯底表面上的化學(xué)反應(yīng)性和幾何形貌，得到了質(zhì)量可觀的GaN 外延薄膜。掩膜有效限制了位錯(cuò)的衍生與移動(dòng)，控制生長(zhǎng)區(qū)域的同時(shí)保障了外延薄膜的質(zhì)量。

圖3 (a) 選區(qū)生長(zhǎng)作用機(jī)理示意圖；(b) 830 °C 下生長(zhǎng)層的掃描電鏡橫截面圖像[19]；(c)對(duì)照組掃描電鏡圖像a 與選區(qū)生長(zhǎng)組掃描電鏡圖像b[20]；(d) 選區(qū)生長(zhǎng)俯視圖[21]

此外，選區(qū)生長(zhǎng)技術(shù)也廣泛用于生長(zhǎng)GaN 納米材料。2021 年，Gridchin 等[20]在SiOx/Si 襯底上利用分子束外延（MBE）選區(qū)生長(zhǎng)得到一種高質(zhì)量的GaN 納米線。圖3(c) 的掃描電鏡（SEM）圖像表明，在非晶態(tài)SiOx襯底上生長(zhǎng)得到的對(duì)照組分布密度高達(dá)2.5×109cm-2，且出現(xiàn)了部分結(jié)合面，而選區(qū)生長(zhǎng)組則為8×108cm-2，幾乎不存在結(jié)合面；說(shuō)明選區(qū)生長(zhǎng)可確保生長(zhǎng)材料的均勻分布。然而Si 基掩膜可能帶來(lái)的污染與無(wú)意摻雜限制了其使用。為解決這一問(wèn)題，2020 年，Sobanska 等[21]利用非晶AlxOy成核層，采用壓力輔助分子束外延法（PAMBE）實(shí)現(xiàn)了GaN 納米結(jié)構(gòu)的選區(qū)生長(zhǎng)，AlxOy條紋誘導(dǎo)特定參數(shù)的GaN 納米線生成，如圖3(d) 所示。2022年，Oh 等[22]選擇多晶γ-氧化鋁作為掩膜，通過(guò)原子層沉積方法（ALD）實(shí)現(xiàn)微GaN 陣列的選區(qū)生長(zhǎng)。由于氧化鋁基掩膜層與藍(lán)寶石襯底材料組成相同，降低了外延材料受污染的可能性，顯著提高GaN 納米線的質(zhì)量。

器件設(shè)計(jì)

在不斷發(fā)展的各類(lèi)GaN 外延薄膜的缺陷控制技術(shù)基礎(chǔ)上，研究人員對(duì)器件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，得到了具有高響應(yīng)度、低暗電流、低響應(yīng)時(shí)間等特點(diǎn)的自供電光電探測(cè)器。本文將分別從p-n 接觸和肖特基接觸兩類(lèi)形成內(nèi)建電場(chǎng)的結(jié)構(gòu)對(duì)器件設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹。

p-n 結(jié)型自供電紫外光電探測(cè)器

依托兩側(cè)半導(dǎo)體之間的費(fèi)米能差，p-n 結(jié)型探測(cè)器可以自發(fā)形成內(nèi)建電場(chǎng)，具有出色的自供電潛力[23]。p-n 結(jié)型紫外光電探測(cè)器憑借高量子效率、低暗電流、低噪聲、高線性度等特點(diǎn)，受到研究人員的關(guān)注。

目前，已有大量的材料被用于和GaN 形成p-n結(jié)，如ZnO/GaN[24]、Ga2O3/GaN[25]、SnO2/GaN[26]、BaTiO3/GaN[27]等。其中ZnO 有高導(dǎo)電性、高穩(wěn)定性和成熟的制備工藝，且與GaN 形成的異質(zhì)結(jié)具有較小的失配率，減少了由于晶格不匹配造成的可能缺陷[28-31]，成為出色的候選結(jié)構(gòu)。

為改善ZnO 和GaN 兩種異質(zhì)材料之間較大的禁帶寬度差帶來(lái)的影響，2017 年，Zhou 等[32]將硫化鎘（CdS）作為插入層應(yīng)用于ZnO/GaN 異質(zhì)結(jié)中，能帶結(jié)構(gòu)圖前后變化如圖4(a)所示。階梯狀能帶促進(jìn)了載流子流通，減少了電子空穴的復(fù)合。該器件的響應(yīng)率為176 mA·W-1，探測(cè)率高達(dá)1012cm·Hz0.5·W-1，是同條件下無(wú)插入層器件的6 倍。2019 年，Huang等[33]對(duì)插入層技術(shù)進(jìn)一步改良，在ZnO/GaN 異質(zhì)結(jié)中引入了CsPbBr3插入層。該材料的長(zhǎng)載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度和低復(fù)合率增強(qiáng)了電子空穴對(duì)的分離，對(duì)探測(cè)器性能的提升效果更加顯著，器件的峰值響應(yīng)率和探測(cè)率分別達(dá)到了44.53 mA·W-1和2.03×1012cm·Hz0.5·W-1，響應(yīng)時(shí)間為160 和150 ms（分別表示上升段時(shí)間與下降段時(shí)間）。

圖4 (a) 加入CdS 后的能帶圖[32]；(b) p-GaN/n-ZnO 異質(zhì)結(jié)構(gòu)的自供電柔性紫外光電探測(cè)器的電流-時(shí)間曲線[34]；(c) 254 nm 光下，有無(wú)GaON 探測(cè)器的電流-電壓曲線對(duì)比[37]；(d) 在無(wú)偏壓條件下的電流-時(shí)間曲線測(cè)量[39]

除了使用插入層外，2022 年，Peng 等[34]改用ZnO 納米線代替ZnO 薄膜，制備了一種基于p-GaN/n-ZnO 異質(zhì)結(jié)構(gòu)的自供電柔性紫外光電探測(cè)器。該研究利用納米線結(jié)構(gòu)提高光電探測(cè)器的光學(xué)吸收效率，同時(shí)通過(guò)施加外部應(yīng)變，利用壓電效應(yīng)來(lái)調(diào)節(jié)p-GaN/n-ZnO 異質(zhì)結(jié)紫外光電探測(cè)器的能帶結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)內(nèi)置電場(chǎng)和擴(kuò)大耗盡區(qū)域來(lái)加快載流子分離，在325 nm、零偏壓下，檢測(cè)率（6.82×1013cm·Hz0.5·W-1）和開(kāi)關(guān)比（7.36×106）相比于同種類(lèi)的薄膜器件都由極大的提升，具有較快的響應(yīng)速度，即響應(yīng)時(shí)間低至6.9 和6.4 ms，如圖4(b) 所示。該研究不僅介紹了一種新的制備工藝流程，同時(shí)為受應(yīng)變調(diào)控的紫外光電探測(cè)器的發(fā)展提供了可能性。

氧化鎵（Ga2O3）同樣作為可與GaN 形成異質(zhì)結(jié)來(lái)制備自供電紫外光電探測(cè)器的潛力材料之一，其超寬帶隙的結(jié)構(gòu)使之在深紫外光探測(cè)方面占據(jù)絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)[35-36]。2022 年，Ma 等[37]報(bào)道了一種自供電Ga2O3/p-GaN 深紫外光電探測(cè)器，利用MOCVD制備了具有原位氮氧化鎵（In-situGaON）層的Ga2O3/p-GaN 異質(zhì)結(jié)，在深紫外波段有著超高響應(yīng)率。如圖4(c) 所示，In-situGaON 層的存在顯著增強(qiáng)了器件對(duì)入射光的吸收能力，在零偏壓下，254 nm 波長(zhǎng)處具有3.8 A·W-1的響應(yīng)率，響應(yīng)時(shí)間為66 和36 ms。

然而由于摻雜劑低溶解度、天然缺陷的補(bǔ)償效應(yīng)、深能級(jí)雜質(zhì)等因素[38]，寬帶隙氧化物和氮化物等寬禁帶半導(dǎo)體難以獲得有效p 型摻雜，在與n 型材料相結(jié)合時(shí)，產(chǎn)生的內(nèi)建電場(chǎng)較弱。為改善這一問(wèn)題，部分研究人員將目光放在了具有免摻雜特性的材料上。

硫化鎵（GaS）屬于III 族單硫族化合物（MX），具有天然的p 型摻雜特性，基于其厚度可調(diào)的能帶間隙為2.6～3.1 eV，因此可以免去摻雜過(guò)程，是理想材料之一。2023 年，作者團(tuán)隊(duì)首次提出了將GaS/GaN應(yīng)用于自供電紫外光電探測(cè)器中[39]，GaS/GaN 異質(zhì)結(jié)具有優(yōu)異的電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)，II 型能帶結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了超強(qiáng)內(nèi)置電場(chǎng)，可以實(shí)現(xiàn)高靈敏度的紫外光探測(cè)。制備出的器件在365 nm、0 V 下有超高的靈敏度和檢測(cè)率（6.26 mA·W-1，8.29×109cm·Hz0.5·W-1），同時(shí)器件還具有超低響應(yīng)時(shí)間，響應(yīng)時(shí)間達(dá)到了驚人的48 和80 μs，如圖4(d)所示。該研究為制備高質(zhì)量的GaS/GaN 異質(zhì)結(jié)提供了較為理想的方案，證明了其在自供電紫外光電探測(cè)器的應(yīng)用潛力。

肖特基結(jié)型自供電紫外光電探測(cè)器

相比于p-n 結(jié)型紫外光電探測(cè)器，肖特基結(jié)型器件具有低成本制造的優(yōu)點(diǎn)，更容易實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)與應(yīng)用，但肖特基接觸點(diǎn)的穩(wěn)定性和質(zhì)量有待改善。到目前為止，對(duì)不同半導(dǎo)體制成的肖特基型自供電紫外光電探測(cè)器，已有研究報(bào)道。

使用金屬-半導(dǎo)體-金屬（MSM）結(jié)構(gòu)為優(yōu)化肖特基結(jié)型探測(cè)器的一種常見(jiàn)方法[40-43]，此結(jié)構(gòu)具有較低的單位電容，可有效地降低器件的響應(yīng)時(shí)間，同時(shí)和場(chǎng)效應(yīng)晶體管器件高度匹配，適合于器件的集成[44]。2017 年，Aggarwal 等[45]報(bào)道了使用不同尺寸金金屬作為GaN 基紫外光電探測(cè)器的電極時(shí)，電勢(shì)的分布受到金屬-半導(dǎo)體結(jié)內(nèi)金屬電極的大小的影響[46]，產(chǎn)生了不對(duì)稱(chēng)的內(nèi)建電場(chǎng)，在紫外光照射下形成的能帶結(jié)構(gòu)如圖5(a)所示。該器件暗電流低至90 nA，光響應(yīng)率則達(dá)到了132 mA·W-1，響應(yīng)時(shí)間為63 和27 ms。

研究人員就MSM 結(jié)構(gòu)探測(cè)器的改良提出各類(lèi)方案，其一是加強(qiáng)探測(cè)器對(duì)紫外光的吸收能力。2021 年，Teker 等[47]使用鎳納米顆粒修飾MSM 型自供電紫外光電探測(cè)器，入射光和金屬鎳中的電子振蕩發(fā)生共振耦合，使入射光子的能量極快地傳遞給鎳納米顆粒，然后轉(zhuǎn)移給GaN 外延薄膜內(nèi)，增加了被激發(fā)的載流子的數(shù)目，該現(xiàn)象被稱(chēng)為局部表面等離激元（LSPR）效應(yīng)[48-49]。如圖5(b)所示，對(duì)比未修飾器件，光電流明顯增強(qiáng)，探測(cè)率從2.81×1013cm·Hz0.5·W-1增加到7.19×1013cm·Hz0.5·W-1，暗電流低至5.69 pA，響應(yīng)時(shí)間最低可達(dá)50 和95 ms。

此外，也可以通過(guò)加強(qiáng)能帶分布的不對(duì)稱(chēng)性，促進(jìn)光生載流子的分離及運(yùn)輸。2021 年，Wang 等[50]在MSM 型自供電紫外光電探測(cè)器的一側(cè)電極下方沉積了鋁鎵氮（AlGaN）薄膜，AlGaN/GaN 異質(zhì)結(jié)處的極化效應(yīng)產(chǎn)生額外電場(chǎng)，從而改變?cè)械哪軒ЫY(jié)構(gòu)，如圖5(c)所示，加入AlGaN 前后光譜響應(yīng)率對(duì)比如圖5(d)所示。該器件的響應(yīng)率在零偏壓下為0.005 A·W-1，在3 V 的偏壓下能達(dá)到13.56 A·W-1，這一報(bào)道為MSM 結(jié)構(gòu)的紫外光電探測(cè)器提供了新的設(shè)計(jì)思路。

自供電GaN 基紫外光電探測(cè)器集成

在自供電GaN 基紫外光電探測(cè)器研究中，單一器件結(jié)構(gòu)難以滿(mǎn)足日益多樣的應(yīng)用需求。同時(shí)當(dāng)前結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)無(wú)法抵消不利影響，尤其在應(yīng)對(duì)持續(xù)光電導(dǎo)等效應(yīng)時(shí)顯得不足。為應(yīng)對(duì)這一問(wèn)題，集成技術(shù)的引入顯得尤為迫切，在克服不利效應(yīng)的同時(shí)，賦予探測(cè)器更廣泛的多功能特性。

自供電GaN 基光電探測(cè)器與微型加熱器集成

研究表明，低溫下接觸界面處會(huì)產(chǎn)生持續(xù)光電導(dǎo)（PPC）效應(yīng)[51]。PPC 效應(yīng)使器件需要數(shù)小時(shí)到數(shù)天的時(shí)間恢復(fù)起始態(tài)，阻礙了器件的連續(xù)使用。2017 年，Hou 等[52]研究了恢復(fù)時(shí)間與工作溫度的關(guān)系，如圖6(a)所示。他們提出設(shè)計(jì)原位加熱探測(cè)器，提高載流子俘獲速率來(lái)進(jìn)行縮短恢復(fù)時(shí)間[52-53]。

圖6 (a)恢復(fù)時(shí)間與工作溫度關(guān)系[52]；(b)恢復(fù)時(shí)間示意圖[54]；(c)MHM 型探測(cè)器電流-溫度關(guān)系[55]；(d)不同結(jié)構(gòu)探測(cè)器響應(yīng)度-溫度關(guān)系[55]

基于這一思路，2020 年，Sun 等[54]設(shè)計(jì)了一種具有集成式微加熱器的WO3/AlGaN/GaN 異質(zhì)結(jié)構(gòu)光電探測(cè)器。微型加熱器通過(guò)連續(xù)脈沖加熱的方式提高了載流子俘獲速率，將探測(cè)器的衰減時(shí)間縮短了30%～45%，恢復(fù)時(shí)間可以縮短到數(shù)百秒，如圖6(b)所示。

與此同時(shí)，科研人員還發(fā)現(xiàn)集成微型加熱器可以提升探測(cè)性能。2021 年，Tang 等[55]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)金屬-異質(zhì)結(jié)-金屬（MHM）型探測(cè)器適當(dāng)提高溫度，不但可以抑制PPC 效應(yīng)，還可以改善載流子輸運(yùn)特性，提高響應(yīng)度。圖6(c)和6(d)為溫度變化時(shí)MHM 型探測(cè)器電流與響應(yīng)度的變化情況。對(duì)于MHM 型AlGaN/GaN 探測(cè)器，溫度從25 °C 上升到250 °C，光響應(yīng)度上升了約3.5 倍，而光電流的衰減時(shí)間下降了大約3 個(gè)數(shù)量級(jí)，具有出色的應(yīng)用前景

自供電GaN 基光電探測(cè)器與發(fā)光二極管集成

除了抑制PPC 等效應(yīng)外，日益增多的市場(chǎng)需求對(duì)器件集成提出了新的要求。通過(guò)與發(fā)光二極管集成，探測(cè)器不但可以提升性能，還顯示出在諸多應(yīng)用領(lǐng)域的巨大潛力，如物聯(lián)網(wǎng)以及顯示和通信領(lǐng)域等[56-57]。

2013 年，Brubaker 等[58]報(bào)道了一種氮化物發(fā)射器與探測(cè)器的耦合，受PPC 效應(yīng)的影響，該集成器件的響應(yīng)時(shí)間高達(dá)數(shù)百秒。為了降低響應(yīng)時(shí)間，2014 年，Tchernycheva 等[59]將發(fā)光二極管（LED）與探測(cè)器通過(guò)SiN 波導(dǎo)連接集成，降低了傳輸距離與傳輸反射損失，獲得的GaN 基光子平臺(tái)電流軌跡和開(kāi)關(guān)信號(hào)的過(guò)渡時(shí)間低于0.5 s，實(shí)現(xiàn)了快速響應(yīng)。但他們也指出，這種集成并未改善器件的其他性能，如開(kāi)關(guān)比、響應(yīng)度等。

針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，2021 年，Lyu 等[57]提出了調(diào)控二維電子氣（2DEG）的解決方法。他們基于AlGaN/GaN/Si 平臺(tái)，將紫外LED 與光電探測(cè)器進(jìn)行集成。通過(guò)改變LED 端電壓（VLED），控制界面處2DEG中溝道的開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)了超過(guò)106的開(kāi)關(guān)比、高達(dá)3.5×105A/W 的響應(yīng)度，如圖7(b)～7(d) 所示。這種單片式集成在緊湊型光隔離器等許多領(lǐng)域具有很大的潛力，但受電容等寄生參數(shù)影響，在高頻領(lǐng)域的應(yīng)用仍較為有限。

圖7 (a)開(kāi)關(guān)比和級(jí)聯(lián)程度、偏壓關(guān)系[60]；(b)集成平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖[57]；(c)不同VPD 下探測(cè)器的光暗電流曲線[57]；(d)不同VLED 下探測(cè)器波長(zhǎng)響應(yīng)情況[57]

為了獲得更好的高頻特性，研究人員提出級(jí)聯(lián)的解決方法。2022 年，Wang 等[60]對(duì)GaN 基LED和光電探測(cè)器的集成級(jí)聯(lián)技術(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，從而降低了電容，高頻性能得到了顯著提升，同時(shí)暗電流也降低到pA 數(shù)量級(jí)，開(kāi)關(guān)比達(dá)到106數(shù)量級(jí)，如圖7(a)所示。同年，Shi 等[61]利用LED 和光電探測(cè)器的集成設(shè)計(jì)并制作了一種Si 襯底InGaN/GaN 多量子阱垂直結(jié)構(gòu)可見(jiàn)光通信器件，其數(shù)據(jù)速率可以超過(guò)10 Gbit/s，而誤碼率在一定范圍內(nèi)可以低至3.8×10-3，這表明了LED 與探測(cè)器的集成在通信領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。

總結(jié)與展望

本文從外延生長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、器件集成3 個(gè)角度闡述了自供電GaN 基紫外光電探測(cè)器的發(fā)展現(xiàn)狀。在外延生長(zhǎng)方面，研究人員采用插入層技術(shù)、低溫生長(zhǎng)技術(shù)以及選區(qū)生長(zhǎng)技術(shù)等生長(zhǎng)GaN 外延薄膜，實(shí)現(xiàn)了位錯(cuò)密度的大幅降低，螺位錯(cuò)密度降低到6.5×107cm-2[11]。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)設(shè)計(jì)器件結(jié)構(gòu)，p-n 結(jié)型探測(cè)器和肖特基結(jié)型探測(cè)器的各項(xiàng)性能指標(biāo)都得到提高，響應(yīng)度從以往工作中的44.53 mA/W[33]提高到3.8 A/W[38]，探測(cè)率則可以達(dá)到7.19×1013cm·Hz0.5·W-1[47]，比過(guò)往性能高出數(shù)十倍；響應(yīng)時(shí)間低至48 和80 μs[39]。同時(shí)，探測(cè)與微型加熱器的集成使得器件連續(xù)工作能力得到了極大的改善，器件的恢復(fù)時(shí)間降低到了數(shù)秒；探測(cè)器與發(fā)光二極管的集成則讓其應(yīng)用領(lǐng)域得到了進(jìn)一步的拓展，在物聯(lián)網(wǎng)與通信顯示領(lǐng)域嶄露頭角。

雖然這些研究已經(jīng)取得了顯著的成果，但外延生長(zhǎng)以及器件制備仍然面臨著一些問(wèn)題。針對(duì)這些問(wèn)題，本文提出了一些解決方法：

（1）GaN 材料的位錯(cuò)密度仍處于較高水平。這需要進(jìn)一步發(fā)展出色的GaN 缺陷控制技術(shù)，比如先通過(guò)選區(qū)生長(zhǎng)引入合適的AlN 插入層，再用低溫成核層技術(shù)生長(zhǎng)高質(zhì)量的GaN 外延薄膜或是探索開(kāi)發(fā)與GaN 材料晶格失配和熱失配更小的新型襯底材料，如自支撐GaN 襯底技術(shù)。

（2）自供電紫外光電探測(cè)器的探測(cè)性能仍不及普通的紫外光電探測(cè)器。因此需要進(jìn)一步優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與器件制備技術(shù)。一方面，可以通過(guò)增強(qiáng)活性層對(duì)紫外光的吸收效率，產(chǎn)生更多的光生載流子，比如通過(guò)沉積納米顆粒，利用表面等離激元共振效應(yīng)增強(qiáng)吸收，或者是采用透明電極來(lái)提高紫外光透過(guò)率；另一方面，可以通過(guò)設(shè)計(jì)能帶結(jié)構(gòu)加強(qiáng)內(nèi)建電場(chǎng)，促進(jìn)電子-空穴對(duì)的快速分離。

（3）集成器件的高頻特性亟需提升。通過(guò)級(jí)聯(lián)集成雖然可以提升器件的性能，但集成過(guò)程中內(nèi)部走線帶來(lái)的寄生參數(shù)會(huì)影響器件在高頻環(huán)境下的使用，故需要探索新型集成技術(shù)，研究寄生參數(shù)小的走線或者選擇無(wú)走線的封裝集成技術(shù)以提高高頻特性。

綜上，自供電GaN 基紫外光電探測(cè)器以其在光電性能和半導(dǎo)體材料特性上的優(yōu)越性，為紫外光探測(cè)領(lǐng)域帶來(lái)了新的可能性。其獨(dú)特的自供電原理、高性能的器件結(jié)構(gòu)以及廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，使其成為當(dāng)前光電技術(shù)研究的熱點(diǎn)之一。相信在科研工作者的持續(xù)努力下，自供電GaN 基紫外光電探測(cè)器的性能必將得到提升，實(shí)現(xiàn)在紫外光通信、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域的廣泛的應(yīng)用，為光電子學(xué)領(lǐng)域帶來(lái)新的發(fā)展契機(jī)。