南昌航空大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院肖文波團(tuán)隊、華南師范大學(xué)電子科學(xué)與工程（微電子）學(xué)院博士生劉志遠(yuǎn)以及楊孟孟特聘副研究員、廣東工業(yè)大學(xué)鄭兆強(qiáng)副教授在紫外光電子探測領(lǐng)域取得新進(jìn)展，該研究成果以“Ultra-Sensitive Normally-Off AlGaN/GaN HEMT Photodetector Array for Multifunctional Optoelectronic Integration”為題發(fā)表在《Laser & Photonics Reviews》上。

隨著深空通信、環(huán)境監(jiān)測和高分辨率成像領(lǐng)域需求的增長，亟需具備超高靈敏度、強(qiáng)抗背景輻射能力和高集成兼容性的紫外光探測器（UV PD）。為此，我們提出基于凹柵結(jié)構(gòu)的AlGaN/GaN高電子遷移率晶體管（HEMT）的晶圓級紫外光電探測器陣列。該器件展現(xiàn)出前所未有的紫外特性：在365nm光照下的響應(yīng)度達(dá)1.16×10⁶ A W^-1，并擁有高達(dá)1.69×10¹⁷Jones的優(yōu)異探測率。其快速響應(yīng)特性（上升時間668.4微秒；下降時間885.4微秒）與出色的紫外/可見光抑 制比（R365/R532 = 7.06×10⁵）實現(xiàn)了傳統(tǒng)探測器無法企及的關(guān)鍵功能。這些功能包括多波段光通信、不受環(huán)境光干擾的高分辨率紫外成像，以及通過陣列集成實現(xiàn)的實時環(huán)境紫外監(jiān)測。該器件在10×10的陣列中仍保持95%工藝良率，為下一代紫外光電子系統(tǒng)開創(chuàng)了可擴(kuò)展的制造方案。

圖1. (a) 器件制造工藝流程。 (b) HEMT外延層的X射線衍射圖譜。 (c) HEMT外延層的拉曼光譜。 (d) 器件在V_ds=5 V、光功率密度為1 mW cm^-2條件下，250 nm至1100 nm波長范圍內(nèi)的光電流與波長依賴性曲線。

圖2. (a) 器件在不同波長照射下的時間依賴性光響應(yīng)；(b) 半對數(shù)I-V曲線；(c) 器件在365 nm光照射下不同光功率下的動態(tài)光響應(yīng)；(d) 365 nm照射下的響應(yīng)速率。(e) 在V_ds=5V、λ=365nm、11.56mW/cm²光強(qiáng)條件下的循環(huán)穩(wěn)定性。(f) 閾值電壓(V_ds=5V)下光功率密度對器件參數(shù)PDCR與EQE的影響；(g) 器件參數(shù)R與D*隨光強(qiáng)變化曲線。(h) 365nm光照下響應(yīng)度和(i) D*隨 V_gs與光強(qiáng)變化映射圖。紅色虛線標(biāo)注大值區(qū)域。

圖3. (a) 器件在365 nm光照下獲得的光電流映射圖像。(b)晶圓級10×10器件陣列的良率圖。(c) V_ds=5V條件下電流噪聲功率譜。(d) 不同溫度下365nm光照（1.54mW cm^-2）的半對數(shù)I-V曲線。(e) 不同溫度下I_ph與365 nm光強(qiáng)度的函數(shù)關(guān)系。 (f) 不同波長下I_ph與光功率密度的函數(shù)關(guān)系。 (g) 不同波長下的響應(yīng)度曲線。插圖顯示紫外-可見光抑 制比。 (h) 本研究HEMT光電探測器與已報道器件的R值對比。

圖4. 多模態(tài)光通信應(yīng)用演示。(a) 基于光信號與柵極電壓輸入的邏輯門。(b) 基于光信號、柵極電壓與源漏偏壓輸入的邏輯門。(c) 雙模光通信基本原理示意圖。(d) 基于HEMT器件的多波長單控制模式二進(jìn)制編碼轉(zhuǎn)換示意圖。(e) 基于HEMT器件的多波長雙控制模式二進(jìn)制編碼轉(zhuǎn)換原理示意圖。

圖5. 多波段成像與卷積處理。(a) 成像儀器系統(tǒng)示意圖。(b) 在254至808nm波長照射下，英文字母“HEMT”的成像結(jié)果。所有映射圖像分辨率均為181×52像素。(c) 365納米激光照明下的圖像卷積處理演示。

圖6. (a) 紫外光強(qiáng)度監(jiān)測系統(tǒng)(UVDAS)的圖像及其信號編程傳輸示意圖。(b) 戶外工作原理圖及相關(guān)光電性能示意圖。(c) 通過模擬不同光功率密度條件下，UVDAS在陰天與晴天環(huán)境的光開關(guān)特性曲線。虛線代表閾值電流。(d) 通過MCU檢測并顯示光電流輸出。(e) 通過調(diào)節(jié)閾值電流實現(xiàn)紫外線照射的多級監(jiān)測功能。

該工作中通過使用 TuoTuo Technology 的紫外無掩模光刻機(jī)做了部分器件制備工作。

作者信息介紹：南昌航空大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院的碩士生鄭世龍和華南師范大學(xué)電子科學(xué)與工程（微電子）學(xué)院的博士生劉志遠(yuǎn)為文章的共同一作，南昌航空大學(xué)肖文波老師、廣東工業(yè)大學(xué)鄭照強(qiáng)副教授，華南師范大學(xué)楊孟孟老師和博士生劉志遠(yuǎn)為論文的共同通訊作者。

該工作還受到了華南師范大學(xué)電子科學(xué)與工程（微電子）學(xué)院霍能杰課題組和浙江大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院李京波課題組的支持。

論文鏈接：https://doi.org/10.1002/lpor.202502160