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基于p-GaN栅极HEMT的高速紫外光电探测器用于火焰监测
High-Speed Ultraviolet Photodetector Based on p-GaN Gate HEMT for Flame Monitoring
| 作者 | |
| 期刊 | IEEE Transactions on Electron Devices |
| 出版日期 | 2025年1月 |
| 技术分类 | 功率器件技术 |
| 技术标签 | GaN器件 |
| 相关度评分 | ★★★★ 4.0 / 5.0 |
| 关键词 | p-GaN门HEMT 紫外光电探测器 AlGaN/GaN异质结构 光响应度 军事和空间应用 |
语言:
中文摘要
本研究设计并制备了一种以 p - GaN 栅极高电子迁移率晶体管（HEMT）为基础的紫外光电探测器（PD），其敏感面积为 \(2.0\times 10^{-5}\) \(cm^2\)。采用 AlGaN/氮化镓（GaN）异质结构以获得二维电子气（2DEG）作为导电通道，使得该探测器具有 \(8.07\times 10^{4}\) A/W 的高光响应度、360 nm 处的陡峭截止波长、 \(1.80\times 10^{6}\) 的高紫外 - 可见光抑制比，上升时间和下降时间分别为 0.12 ms 和 1.0 ms。在 360 nm 紫外光、5 \(mW/cm^2\) 的低紫外光强度照射下，测得该紫外探测器的暗电流为 \(5.44\times 10^{-7}\) A，在 5 V 偏压下光电流为 \(4.42\times 10^{-3}\) A，外量子效率（EQE）为 \(2.77\times 10^{5}\) %，探测率为 \(8.31\times 10^{14}\) Jones。所得结果表明，与文献报道相比，所制备的基于 AlGaN/GaN HEMT 的紫外探测器的性能有了显著提升。与现有器件相比，该器件具有更低的噪声等效功率（NEP）和更高的探测率，是军事和太空应用的理想候选器件。
English Abstract
The p-GaN gate high electron mobility transistor (HEMT) with a 2.0 10^-5 cm2 sensitive area as a UV photodetector (PD) has been designed and fabricated in this study. AlGaN/gallium nitride (GaN) heterostructure was adopted to get a 2-D electron gas (2DEG) as a conductive channel, resulting in a high photoresponsivity of 8.07 10^4 A/W, a sharp cutoff wavelength at 360 nm, high UV-to-visible rejection ratio of 1.80 10^6 , rise and decay time of 0.12 and 1.0 ms, respectively. The dark current of 5.44 10^-7 A, the photocurrent of 4.42 10^-3 A at 5 V, the external quantum efficiency (EQE) of 2.77% 10^5 %, and the detectivity of 8.31 10^14 Jones for the UV PD were determined under a low UV light intensity of 5 mW/cm2 at 360-nm UV illumination. The obtained results show that the performance of as-fabricated UV PD based on AlGaN/GaN HEMT is significantly improved compared to the literature. This device, which has lower noise equivalent power (NEP) and enhanced detectivity features compared to existing ones, is a promising candidate for military and space applications.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看，这项基于p-GaN栅极HEMT的紫外光电探测技术虽然主要面向火焰监测等军事航天应用，但其底层的氮化镓（GaN）技术路线与我司在功率电子领域的战略方向高度契合，具有重要的技术借鉴价值。
该研究展示的AlGaN/GaN异质结构及二维电子气（2DEG）导电通道技术，本质上与我司正在推进的GaN功率器件开发存在技术同源性。论文中实现的高光响应度（8.07×10⁴ A/W）和快速响应时间（上升时间0.12ms）证明了GaN材料体系在高速开关和高灵敏度检测方面的卓越性能，这直接印证了GaN器件在光伏逆变器和储能变流器中应用的技术可行性。
从应用层面分析，该紫外探测技术可为我司产品安全监测系统提供新思路。在大型光伏电站和储能系统中，电弧故障检测是关键安全议题。该技术展现的360nm截止波长、1.80×10⁶的紫外-可见光抑制比以及极低的暗电流（5.44×10⁻⁷ A），表明GaN基探测器在强光干扰环境下仍能精准识别电弧产生的紫外特征信号，可显著提升故障预警能力。
技术挑战方面，该器件目前的敏感面积较小（2.0×10⁻⁵ cm²），且制造工艺复杂度较高，距离大规模商业化应用尚有距离。但其展示的GaN材料平台整合潜力值得关注——未来可探索将紫外检测功能与GaN功率模块单片集成，实现智能化的自诊断逆变器系统，这将是我司在高端装备市场建立差异化竞争优势的重要技术储备方向。