?紫外光電探測器作為紫外光信號感知與轉換的核心元件，在航空航天、防災減災及生態監控等領域具有戰略意義。氮化鎵（GaN）材料憑借其3.4 eV的寬禁帶特性和直接帶隙結構，是制備高性能紫外探測器的理想選擇之一。然而，受限于材料本征缺陷及常規器件結構設計，現有的GaN基金屬-半導體-金屬（MSM）/PIN型探測器通常存在響應度低、紫外-可見截止比小、響應速度慢、暗電流偏高等瓶頸問題，嚴重制約了其在瞬態光信號捕獲、高精度計量等尖端領域的實際應用。
中國科學院蘇州納米所孫錢研究員團隊與土耳其博盧阿巴特伊茲特貝薩爾大學Yilmaz Ercan教授團隊展開聯合攻關，成功開發出基于常關型GaN高電子遷移率晶體管（HEMT）的高性能紫外探測器，顯著提升了響應度、紫外-可見截止比、響應速度，為智能傳感、環境監測等領域提供了創新解決方案。該系列研究工作發表于ACS Photonics11, 180 (2024)、Applied Physics Letters 126, 192101 (2025)、IEEE Transactions on Electron Devices72, 1993 (2025)。
高速P型柵GaN HEMT紫外探測器
研究團隊設計并制備了基于P型柵GaN HEMT結構的紫外探測器，其核心性能指標表現優異：在360 nm紫外光照射下，器件實現了8×10 A/W的光響應度與1.8×10 的紫外/可見光抑制比。通過柵極p-n結內建電場對持續光電導效應的有效抑制，實現了亞毫秒級快速響應特性，實測瞬態光照響應的上升/下降時間分別達到0.12 ms和1.0 ms。器件的暗電流5.44×10 A、光電流4.42×10 A、外量子效率2.77×10 %、探測率8.31×10 Jones。本研究提出的新結構實現了光電導型探測器的高靈敏度與光伏型探測器的快速響應優勢的融合，在紫外信號探測與空間科學監測領域具有重要的應用價值。
該工作以High-Speed Ultraviolet Photodetector based on p-GaN Gate HEMT for Flame Monitoring為題發表于IEEE Transactions on Electron Devices72, 1993 (2025)。
圖1. (a) p型柵氮化鎵HEMT探測器的結構示意圖、(b) 240 – 400nm紫外光響應譜、(c) 瞬態光響應測試的電路示意圖、(d) 瞬態光響應測試波形。
在實際應用中，紫外光電探測器需要暴露于包括大溫度變化范圍在內的多種復雜環境條件下，這對其光電檢測性能的穩定性提出了新的挑戰，尤其在深空探測、極地科考等尖端領域，器件需要面臨低溫的工作環境。這種溫度的變化可能導致檢測信號失真、誤報率升高乃至器件失效。研究團隊依托納米真空互聯實驗站，采用紫外-太赫茲全光譜光電測試探針臺，對基于p型柵GaN HEMT的紫外光電探測器在低溫環境中的光響應特性展開了系統而深入的研究工作。研究結果顯示，該器件在低溫運行條件下，峰值響應率、光暗電流比以及探測率分別達到了2.8×10 A/W、3.7×10 與3.2×10 Jones，上述數據表明該器件在低溫探測應用場景下的巨大潛力。研究團隊進一步解析了光生載流子與材料缺陷之間的復雜相互作用機制。通過對光電流衰減行為的分析，明確了兩個陷阱能級在不同溫度區間主導了載流子復合動力學過程。這一發現不僅為闡釋器件的持續光電導現象提供了關鍵實驗證據，更為提升低溫光電探測器的探測率與響應速度等核心性能指標指明了方向。
該工作以Photoresponsivity of p-GaN HEMT-based ultraviolet photodetectors at low temperatures為題發表于Applied Physics Letters 126, 192101 (2025)。
圖2. (a) 紫外-太赫茲全光譜光電探針臺的照片、(b) 變溫條件下光電流特性測試、(c) 響應度隨溫度及光強變化的變化關系；(d) 不同溫度下的瞬態光電響應特性測試。
高響應度凹槽柵AlGaN/GaN雙溝道HEMT紫外探測器
為了進一步提升HEMT探測器的響應度，解決p-GaN柵吸收紫外光導致的損耗問題，研究團隊創新性地提出了AlGaN/GaN雙溝道紫外光電探測器的結構。該器件通過雙二維電子氣溝道設計實現了性能突破：一方面，采用原位生長的超薄AlGaN下勢壘層，不僅使器件具備常關工作特性，簡化了電路設計并降低功耗；另一方面，通過在AlGaN/GaN異質結中引入GaN插入層，有效緩解了刻蝕工藝對主導光電流的下層二維電子氣溝道產生的損傷。實驗表明，在9.7 μW/cm 紫外光照射下，器件展現出2.1×10 A/W的高響應度和1.7×10 Jones的比探測率，證實了其對弱光信號檢測能力。同時，在500 Hz脈沖光照條件下，器件仍保持了優異的瞬態響應特性。這種兼具工藝簡潔性和性能優勢的雙溝道結構，為開發新一代高性能紫外光探測器提供了創新的技術路徑，在光通信、空間探測等領域具有重要應用前景。
該工作以Ultrahigh-Responsivity Ultraviolet Photodetectors based on AlGaN/GaN Double-Channel High-Electron-Mobility Transistors為題發表于ACS Photonics11, 180 (2024)。
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圖3. (a) AlGaN/GaN雙溝道HEMT外延結構的截面透射電鏡圖像、(b) 器件結構示意圖、(c) 不同光強下光電流特性測試、(c) 響應度隨光強變化的變化關系。
上述工作得到了中國科學院國際合作項目等資助，同時得到了半導體顯示材料與芯片重點實驗室、納米真空互聯實驗站（Nano-X）、納米加工平臺、測試分析平臺等部門的支持。