【前沿技术分享】深紫外光电探测器技术

引言

紫外光谱的波长覆盖范围为100 nm至400 nm。其中，315 -400 nm为近紫外（UVA）波段，280 -315 nm为中紫外（UVB）波段，100 -280 nm为深紫外（UVC）波段。太阳辐射中的深紫外光会被大气层吸收，导致地球表面不存在深紫外光，因此该波段也被称为“日盲”波段。“日盲”波段（通常至波长<290 nm）的光探测有着广泛的用途，包括深紫外辐射监测、火焰感应、火箭和导dan预警、非视距光通信以及环境监测等。尤其是2020年COVID-19疫情的爆发，加快推进了紫外线消毒在卫生安全防疫总的应用。经多方验证，深紫外线消毒起到良好的灭菌效果，但同时也要注意深紫外光属于不可见光，在紫外线是否处于开启状态和辐射能量衰减情况等方面，需要实时监控。并且，深紫外光的光子能量强，人长时间经受紫外线消毒光源的照射会产生如色素沉积、皮肤损伤以及眼jiao膜损伤等问题。因此，基于以上两方面原因，深紫外探测技术显得尤为重要。

第三代半导体材料具有更宽的禁带宽度、更高的导热率、更高的抗辐射能力和更大的电子饱和速率等特性。众多材料例如GaN、AlGaN、SiC、BN等，已被用于深紫外探测技术的研究。一些学者也采用了金属氧化物半导体材料，例如ZnO、Ga2O3、TiO2、SnO2等，取得了很多成果并发表于国际期刊。但不同技术路线下的深紫外探测性能依然存在很多问题，如响应度低、开关速率慢、波长响应特性不好、材料性质不稳定或制备工艺复杂等。

近几年，针对深紫外探测的市场需求和光电探测技术中的常见问题，ZG科学院半导体研究所联合荷兰Delft理工大学、清华大学等研究机构，研发了一款高响应度、可控恢复及性能稳定的WO3/AlGaN/GaN基多异质结深紫外探测器芯片。多项成果分别发表在Journal of Materials Chemistry C、Optics Express、Applied Physics Express等期刊上。

内容

成果被选为JMCC期刊内封面文章

（inside back cover）

相关研究成果“A high responsivity and controllable recovery ultraviolet detector based on a WO3 gate AlGaN/GaN heterostructure with an integrated micro-heater”发表在一区期刊“Journal of Materials Chemistry C”上，并被期刊选为内封面文章（inside back cover）。文章的共同一作为荷兰Delft理工大学的Jianwen Sun和中科院半导体所的张硕，文章的共同通讯作者为ZG科学院半导体研究所的詹腾和伊晓燕，以及荷兰Delft理工大学的Pasqualina M. Sarro和Guoqi Zhang。

项目合作团队报道了“带集成微加热丝的WO3/AlGaN/GaN多异质结结构的高响应度、可控恢复紫外（UV）光电探测器”。该紫外探测器在240 nm处的峰值响应度为1.67×104 A/W，响应截止波长为275 nm，如图1所示。并创新性的提出了采用单脉冲加热复位（mono-heating reset，MHR）的方法能够消除半导体光电探测器中常见的持久光电导效应（PPC）。在268 nm紫外光照撤离后，立即向集成微加热丝施加适当的脉冲电压，随即在芯片表面产生一个热脉冲，操作后的探测器恢复时间从几小时缩短到几秒钟，并且对紫外探测器使用过程中的响应度和稳定性没有负面影响，如图2所示。探测器的深紫外波段选择性响应、高稳定性、可控恢复性以及快速工艺制造，使得GaN基光电探测器在众多领域具有极大的应用潜力，如紫外消毒灯监控、水质检测、火灾监测、导dan和火箭预警、非视距光通信等。

图1 深紫外波段选择性探测

图2 采用MHR方式对探测器进行瞬态恢复

图3 不同紫外波长、辐射强度下的紫外连续检测

图3中系统的展示了该紫外探测器分别在395nm和268 nm波长下的连续响应和恢复曲线。395 nm紫外光下，采用 200 μW/cm2、380 μW/cm2、520 μW/cm2三种不同的高照射强度；268 nm紫外光下，采用0.28 μW/cm2、0.79μW/cm2、8.7 μW/cm2三种不同的低照射强度。从实验数据来看，均取得了良好的探测性能。

此外，成果“Suspended tungsten trioxide (WO3) gate AlGaN/GaN heterostructure deep ultraviolet detectors with integrated micro-heater”则系统阐述了该紫外探测器的工作机制、测试方式以及集成加热丝的工作状态，成果发表在国际光学期刊Optics Express上，论文的共同DY作者为荷兰Delft理工大学Jianwen Sun和ZG科学院半导体研究所的詹腾，文章的共同通讯作者为荷兰Delft理工大学的Pasqualina M. Sarro和Guoqi Zhang以及清华大学的刘泽文。

探测器的紫外响应测试主要采用北京卓立汉光公司的DSR200设备系统，该设备提供150W的氙灯光源，测试波长范围覆盖200 nm-1100 nm。配合Keithley 2400电源以及电脑软件，进行探测器的全光谱响应曲线测试。探测器紫外波段的全谱响应曲线如图5所示。图6为探测器在集成加热丝工作下的热成像图。

图4 光学系统测试示意图

图5 紫外探测器在紫外波段的光谱响应曲线

图6 紫外探测器在集成加热丝下的芯片加热状态

文章信息

1. “A high responsivity and controllable recovery ultraviolet detector based on a WO3 gate AlGaN/GaN heterostructure with an integrated micro-heater”, Journal of Materials Chemistry C, Vol. 8, Iss.16, pp.5409-5416, 2020. DOI: 10.1039/d0tc00553c

2. “Suspended tungsten trioxide (WO3) gate AlGaN/GaN heterostructure deep ultraviolet detectors with integrated micro-heater”, Optics Express, Vol.27, Iss.25, pp.36405-36413, 2019. DOI: 10.1364/OE.27.036405

项目成果得到了科技部国家ZD研发计划2017YFB0403100, 2017YFB0403105, 2017YFB0403103的支持，以及北京卓立汉光仪器有限公司在光学测试上提供的帮助。