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硅基单片集成UV LED/光电探测器

稿件来源:今日半导体 责任编辑:ICAC 发布时间:2021-03-15

  光电探测器以类似于光电晶体管的方式工作,在一对欧姆接触之间使用6μmx100μm的p-GaN光学栅极。30μmx100μmLED通过p-GaN阳极提供的空穴的复合产生光子,并从在AlGaN/GaN界面附近形成的二维电子气(2DEG)产生电子。在HEMT和HKUST光电探测器结构中,2DEG构成了可以通过外部手段控制其电阻的通道。

  制造顺序为:制造用于LED阳极和光电探测器栅极的p-GaN图案;制造用于LED阴极和光电探测器AlGaN触点的钛/铝/镍/金欧姆接触沉积;氟离子注入隔离器件;用50nm等离子体增强化学气相沉积(PECVD)二氧化硅(SiO2)钝化;在LED p-GaN阳极上进行透明的镍/金欧姆接触沉积和退火;厚的镍/金接触垫沉积。

  在5V偏压下,该光电检测器在商用LED照明下(功率为0.024mW/cm2、波长为365nm),暗电流为3.9x10-7mA/mm,光电流为0.43mA/mm。研究人员将光暗电流比为1.1x106描述为“出色”。低暗电流归因于AlGaN/GaN界面处2DEG的耗尽,尽管施加了5V偏压,但仍在p-GaN层下方形成了高电阻率沟道。UV照明在栅极下方创建了导电的2DEG通道。光电探测器的“超高”响应度为3.5x105A/W。

  这些功能使光电探测器能够对芯片上小型LED光源的信号进行高灵敏度的光检测,即使其输出功率相对较低的也是如此。

  LED具有约4.65V的高导通电压,由于横向进入区域的缘故,正向偏置下的电流注入往往会在约10V的高偏置下饱和。在10V下注入的电流为267A/cm2。LED的光谱峰值约为360nm波长,半峰全宽(FWHM)为7nm。

  LED光电检测器组合在某种意义上以类似于晶体管的方式进行操作,其中LED偏置为栅极电势,光电检测器电流为沟道。在5V光电检测器偏置下,耦合效率(PD/LED电流比)为0.022,与已报道的其他器件相比非常好。

  在使用Si MOSFET向LED注入电流的电路中测试了LED-PD系统的“频率响应”。对方波信号的响应的上升和下降时间分别为0.41s和0.36s。估计光电检测器的电阻电容延迟约为100ns,主要延迟因素似乎是AlGaN/GaN异质结构中的持久光电导效应。该团队计划优化p-GaN蚀刻步骤和钝化,以消除陷阱效应,从而提高响应速度。研究人员还建议,向光电检测器的p-GaN栅极增加偏压可能是获得更快响应的另一条途径。

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