利用极化效应实现自驱动模式的GaN基紫外光电探测器

紫外光电探测器在导弹预警、火灾检测、公共安全和环境检测等领域具有广泛的用途。基于肖特基金属接触电极的MSM结构紫外探测器由于制备工艺相对简单、探测灵敏度较高等优势，获得了广泛的关注。在光照条件下，当对MSM紫外探测器一侧的金属电极施加一定的偏压时，两侧的金属电极之间将会产生势垒差，从而促进光生载流子的输运与采集；然而如果想在零偏压的状态下实现光生载流子的输运和采集，则需要通过调控两个金属肖特基电极之间的功函数差，从而可以在光吸收区域引起能带的倾斜，促进载流子的输运。

图1 (a) 对比器件Device R的结构图，(b) 新器件Device N的结构图，(c) 所制备的GaN基MSM紫外探测器,（d）对比器件Device R在零偏压下的能带分布示意图，(e) 新器件Device N在零偏压下的能带分布示意图

天津赛米卡尔科技有限公司技术团队通过仿真计算发现，针对GaN这种较为特殊的半导体材料，可以利用极化效应调控MSM紫外探测器的两侧金属电极的势垒差，即利用GaN/AlGaN异质结模拟金属肖特基结，如图1所示。根据图1(b)中仿真设计的器件架构，技术团队制备了图1(c)所示的GaN基紫外光电探测器，并测试了零偏压下的响应度，如图2(a)所示；从该图中可以观测到采用了GaN/AlGaN异质结的GaN基紫外探测器具有较为优异的自驱动效应和光电探测性能，即在0 V的驱动电压下，Device N探测到了日盲波段的响应度信号。图2(b)和图2(c)分别计算了两个器件的能带分布图和水平方向的电场矢量分布图，可以发现尽管两个器件的外置电压为零，但是Device N中的GaN/AlGaN异质结依然可以产生较为显著的电场强度和能带倾斜，从而有效地促进了光生载流子在零偏压状态下的输运和采集。

图2 对比器件Device R和Device N在零偏压状态下的(a)响应度、(b)能带分布图和(c)水平方向上的电场矢量分布图

该研究成果发表在了Photonics Research上 (https://doi.org/10.1364/PRJ.418813)，相关技术已经申请了专利(CN202010424746.0)。

fqj