客户成果丨南昌航空大学、华南师范大学《Laser & Photonics Reviews》：适用于多功能光电集成的超灵敏增强型AlGaNGaN HEMT晶体管光探测器阵列

南昌航空大学仪器科学与光电工程学院肖文波团队、华南师范大学电子科学与工程（微电子）学院博士生刘志远以及杨孟孟特聘副研究员、广东工业大学郑兆强副教授在紫外光电子探测领域取得最新进展，该研究成果以“Ultra-Sensitive Normally-Off AlGaN/GaN HEMT Photodetector Array for Multifunctional Optoelectronic Integration”为题发表在《Laser & Photonics Reviews》上。

随着深空通信、环境监测和高分辨率成像领域需求的增长，亟需具备超高灵敏度、强抗背景辐射能力和高集成兼容性的紫外光探测器（UV PD）。为此，我们提出基于凹栅结构的AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）的晶圆级紫外光电探测器阵列。该器件展现出前所未有的紫外特性：在365nm光照下的响应度达1.16×106 A W-1，并拥有高达1.69×1017Jones的优异探测率。其快速响应特性（上升时间668.4微秒；下降时间885.4微秒）与出色的紫外/可见光抑制比（R365/R532 = 7.06×105）实现了传统探测器无法企及的关键功能。这些功能包括多波段光通信、不受环境光干扰的高分辨率紫外成像，以及通过阵列集成实现的实时环境紫外监测。该器件在10×10的阵列中仍保持95%工艺良率，为下一代紫外光电子系统开创了可扩展的制造方案。

图1. (a) 器件制造工艺流程。 (b) HEMT外延层的X射线衍射图谱。 (c) HEMT外延层的拉曼光谱。 (d) 器件在Vds=5 V、光功率密度为1 mW cm-2条件下，250 nm至1100 nm波长范围内的光电流与波长依赖性曲线。

图2. (a) 器件在不同波长照射下的时间依赖性光响应；(b) 半对数I-V曲线；(c) 器件在365 nm光照射下不同光功率下的动态光响应；(d) 365 nm照射下的响应速率。(e) 在Vds=5V、λ=365nm、11.56mW/cm2光强条件下的循环稳定性。(f) 阈值电压(Vds=5V)下光功率密度对器件参数PDCR与EQE的影响；(g) 器件参数R与D*随光强变化曲线。(h) 365nm光照下响应度和(i) D*随 Vgs与光强变化映射图。红色虚线标注最大值区域。

图3. (a) 器件在365 nm光照下获得的光电流映射图像。(b)晶圆级10×10器件阵列的良率图。(c) Vds=5V条件下电流噪声功率谱。(d) 不同温度下365nm光照（1.54mW cm-2）的半对数I-V曲线。(e) 不同温度下Iph与365 nm光强度的函数关系。 (f) 不同波长下Iph与光功率密度的函数关系。 (g) 不同波长下的响应度曲线。插图显示紫外-可见光抑制比。 (h) 本研究HEMT光电探测器与已报道器件的R值对比。

图4. 多模态光通信应用演示。(a) 基于光信号与栅极电压输入的逻辑门。(b) 基于光信号、栅极电压与源漏偏压输入的逻辑门。(c) 双模光通信基本原理示意图。(d) 基于HEMT器件的多波长单控制模式二进制编码转换示意图。(e) 基于HEMT器件的多波长双控制模式二进制编码转换原理示意图。

图5. 多波段成像与卷积处理。(a) 成像仪器系统示意图。(b) 在254至808nm波长照射下，英文字母“HEMT”的成像结果。所有映射图像分辨率均为181×52像素。(c) 365纳米激光照明下的图像卷积处理演示。

图6. (a) 紫外光强度监测系统(UVDAS)的图像及其信号编程传输示意图。(b) 户外工作原理图及相关光电性能示意图。(c) 通过模拟不同光功率密度条件下，UVDAS在阴天与晴天环境的光开关特性曲线。虚线代表阈值电流。(d) 通过MCU检测并显示光电流输出。(e) 通过调节阈值电流实现紫外线照射的多级监测功能。

该工作中通过使用 TuoTuo Technology 的紫外无掩模光刻机做了部分器件制备工作。 

作者信息介绍：南昌航空大学仪器科学与光电工程学院的硕士生郑世龙和华南师范大学电子科学与工程（微电子）学院的博士生刘志远为文章的共同第一作者，南昌航空大学肖文波老师、广东工业大学郑照强副教授，华南师范大学杨孟孟老师和博士生刘志远为论文的共同通讯作者。

该工作还受到了华南师范大学电子科学与工程（微电子）学院霍能杰课题组和浙江大学光电科学与工程学院李京波课题组的支持。

论文链接：

https://doi.org/10.1002/lpor.202502160