III族氮化物光电探测器的发展与应用

# III族氮化物光电探测器的发展与应用 ## 1. 引言 在光电探测器领域，III族氮化物材料（如GaN和AlGaN）展现出了巨大的潜力。这些材料具有独特的物理性质，使其在不同的光谱范围内都能实现高效的光电转换。本文将详细介绍III族氮化物光电探测器在雪崩探测器、光晶体管、真空紫外性能以及其他方面的研究进展，同时探讨太阳能盲区光电探测器的发展情况。 ## 2. 雪崩探测器和光晶体管 ### 2.1 雪崩探测器（APDs） - **原理与优势**：具有内部增益的光电探测器备受关注，因为无需外部放大器就能获得高响应度。雪崩光电探测器（APDs）的高增益源于雪崩倍增过程，这是一个快速且低噪声的过程，在技术上具有吸引力。 - **存在问题**：然而，异质外延生长的III族氮化物材料具有高的穿透位错密度（TDD），在高场条件下，泄漏电流会主导雪崩过程。此外，由于穿透位错处的高电场，雪崩击穿会伴随着微等离子体的产生。 - **研究进展**： - Osinsky等人首次报道了III族氮化物中的APD操作，并进行了光学和电学测量以研究微等离子体的形成。但由于穿透位错上的微等离子体形成，实际器件区域的雪崩击穿较弱。 - Carrano等人在高性能p - i - n二极管中发现了雪崩增益的证据。 - McIntosh等人基于氢化物气相外延生长的低缺陷密度GaN开发了无微等离子体的APDs，在320 - 360 nm波长范围内测量到均匀的倍增增益为10。 - Carrano等人通过使用相对较小的台面尺寸观察到了无微等离子体的APDs。当器件直径非常小（< 25 µm）时，一些制造的器件不含穿透位错，从而消除了微等离子体的形成，器件显示出稳定且均匀的增益 > 25，但该技术存在器件产量低和大面积器件不可用的缺点。 - Yang等人使用类似的小直径器件首次明确报道了强雪崩倍增，击穿电压具有雪崩倍增理论预测的温度依赖性，证明了雪崩操作，获得的雪崩增益为23。 - Limb等人基于类似的器件结构，使用HVPE生长的块状GaN衬底，降低了TDD，从而提高了性能。制造的台面结构二极管在80 - 90 V的击穿电压下具有极低的暗电流，稳定的光学增益 > 1000，且无微等离子体形成，还显示出正的击穿电压温度系数，证实了雪崩操作。 ### 2.2 光晶体管 - **原理**：光晶体管的增益机制与双极结型晶体管（BJT）相同，光生载流子提供相当于基极电流的电流，通过晶体管作用进行倍增。 - **发展困难**：在GaN中开发BJT和光晶体管存在困难，原因包括p型掺杂低、结泄漏高以及与Mg相关的p掺杂记忆效应。 - **研究进展**： - Yang等人报道了基于AlGaN/GaN异质结构的高增益（> 10⁵）光晶体管操作，但增益主要归因于光电导效应。 - Chernyak等人报道了基于AlGaN/GaN异质结双极晶体管（HBT）的光晶体管作用，在N - p - n配置下，使用电子束照明进行器件测量，获得了约2.5的晶体管作用增益。 ### 2.3 雪崩探测器和光晶体管研究进展对比 |研究团队|探测器类型|关键成果| | ---- | ---- | ---- | |Osinsky等|APDs|首次报道III族氮化物中APD操作，研究微等离子体形成| |Carrano等|APDs|高性能p - i - n二极管中发现雪崩增益证据| |McIntosh等|APDs|基于低缺陷密度GaN开发无微等离子体APDs，增益为10| |Carrano等|APDs|小台面尺寸实现无微等离子体APDs，增益 > 25| |Yang等|APDs|小直径器件明确报道强雪崩倍增，增益为23| |Limb等|APDs|使用HVPE生长衬底提高性能，增益 > 1000| |Yang等|光晶体管|基于AlGaN/GaN异质结构，增益 > 10⁵（主要为光电导效应）| |Chernyak等|光晶体管|基于AlGaN/GaN HBT，增益约2.5| ### 2.4 雪崩探测器和光晶体管发展流程 ```mermaid graph LR A[开始研究APDs和光晶体管] --> B[发现APDs高增益优势及问题] B --> C[众多团队开展APDs研究] C --> D[取得不同APDs研究成果] A --> E[认识光晶体管原理及发展困难] E --> F[开展光晶体管研究] F --> G[取得光晶体管研究成果] ``` ## 3. 真空紫外（VUV）性能 ### 3.1 应用与优势 GaN基光电探测器在10 - 200 nm的真空紫外（VUV）波长范围内也很有用，主要应用于空间科学中的光谱测量和成像应用。这些应用通常要求出色的噪声性能和辐射硬度，GaN基光电探测器是理想的解决方案。由于光子能量远高于半导体带隙，吸收发生在表面附近很短的距离内，肖特基势垒光电探测器的结位于半导体表面，因此不同配置的肖特基势垒光电探测器最适合该应用，而光电导体由于噪声性能较差不适合。 ### 3.2 研究进展 - **肖特基势垒光电二极管**：Motogaito等人报道了由GaN制成的肖特基势垒光电二极管的表征技术和性能结果。使用BL7B同步辐射源作为564 - 41 nm波长范围内的光源，在VUV范围内的响应度在10 mA/W左右，并随反向偏压增加而增加。 - **MSM结构**：与肖特基结二极管相比，MSM结构通常提供较低的暗电流，这对空间应用很重要。Monroy等人使用Super - ACO同步辐射源测量了GaN MSM的VUV性能。比较了使用GaN和AlN成核层生长的器件，发现由于残余掺杂较低，AlN成核层上的器件暗电流显著降低。在5 V反向偏压下，VUV响应度超过100 mA/W。 ### 3.3 真空紫外性能研究流程 ```mermaid graph LR A[确定GaN基探测器在VUV的应用] --> B[开展肖特基势垒光电二极管研究] B --> C[取得肖特基势垒光电二极管研究成果] A --> D[开展MSM结构研究] D --> E[取得MSM结构研究成果] ``` ## 4. 其他杂项工作 ### 4.1 解决光照问题 - Ozelo等人解决了顶部照明时金属覆盖大部分表面的问题，他们在MSM指之间制造了聚合物微透镜，将入射到整个表面的光聚焦到指之间的开口中。 ### 4.2 改进接触材料 - Kim等人报道了在GaN上成功使用基于IrO₂的肖特基接触。使用IrO₂产生的较高势垒意味着较低的泄漏电流（从而提高探测率），并且感兴趣的光子（λ ~ 360 nm）能够更好地穿透接触层到达光电二极管的有源吸收区域。 ### 4.3 开发探测器阵列 - Huang等人报道了该材料系统中的第一个光电探测器阵列，即1 × 16元素的GaN MSM光电探测器线性阵列。 ### 4.4 开发谐振腔光电探测器 - Kishino等人开发了该材料系统中的第一个谐振腔光电探测器。使用由20周期的Al₀.₀₆Ga₀.₉₄N/AlN底部分布式布拉格反射器（DBR）、GaN有源区域和2周期的ZrO