中科院苏州纳米所孙钱团队与合作者在氮化镓紫外探测领域获新进展

摘要：紫外光电探测器作为紫外光信号感知与转换的核心元件，在航空航天、防灾减灾及生态监控等领域具有战略意义。氮化镓（GaN）材料凭借其3.4 eV的宽禁带特性和直接带隙结构，是制备高性能紫外探测器的理想选择之一。然而，受限于材料本征缺陷及常规器件结构设计，现有的GaN

紫外光电探测器作为紫外光信号感知与转换的核心元件，在航空航天、防灾减灾及生态监控等领域具有战略意义。氮化镓（GaN）材料凭借其3.4 eV的宽禁带特性和直接带隙结构，是制备高性能紫外探测器的理想选择之一。然而，受限于材料本征缺陷及常规器件结构设计，现有的GaN基金属-半导体-金属（MSM）/PIN型探测器通常存在响应度低、紫外-可见截止比小、响应速度慢、暗电流偏高等瓶颈问题，严重制约了其在瞬态光信号捕获、高精度计量等尖端领域的实际应用。

中国科学院苏州纳米所孙钱研究员团队与土耳其博卢阿巴特伊兹特贝萨尔大学Yilmaz Ercan教授团队展开联合攻关，成功开发出基于常关型GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）的高性能紫外探测器，显著提升了响应度、紫外-可见截止比、响应速度，为智能传感、环境监测等领域提供了创新解决方案。该系列研究工作发表于ACS Photonics11, 180 (2024)、Applied Physics Letters 126, 192101 (2025)、IEEE Transactions on Electron Devices72, 1993 (2025)。

高速P型栅GaN HEMT紫外探测器

研究团队设计并制备了基于P型栅GaN HEMT结构的紫外探测器，其核心性能指标表现优异：在360 nm紫外光照射下，器件实现了8×10 A/W的光响应度与1.8×10 的紫外/可见光抑制比。通过栅极p-n结内建电场对持续光电导效应的有效抑制，实现了亚毫秒级快速响应特性，实测瞬态光照响应的上升/下降时间分别达到0.12 ms和1.0 ms。器件的暗电流5.44×10 A、光电流4.42×10 A、外量子效率2.77×10 %、探测率8.31×10 Jones。本研究提出的新结构实现了光电导型探测器的高灵敏度与光伏型探测器的快速响应优势的融合，在紫外信号探测与空间科学监测领域具有重要的应用价值。

该工作以High-Speed Ultraviolet Photodetector based on p-GaN Gate HEMT for Flame Monitoring为题发表于IEEE Transactions on Electron Devices72, 1993 (2025)。

图1. (a) p型栅氮化镓HEMT探测器的结构示意图、(b) 240 – 400nm紫外光响应谱、(c) 瞬态光响应测试的电路示意图、(d) 瞬态光响应测试波形。

在实际应用中，紫外光电探测器需要暴露于包括大温度变化范围在内的多种复杂环境条件下，这对其光电检测性能的稳定性提出了新的挑战，尤其在深空探测、极地科考等尖端领域，器件需要面临低温的工作环境。这种温度的变化可能导致检测信号失真、误报率升高乃至器件失效。研究团队依托纳米真空互联实验站，采用紫外-太赫兹全光谱光电测试探针台，对基于p型栅GaN HEMT的紫外光电探测器在低温环境中的光响应特性展开了系统而深入的研究工作。研究结果显示，该器件在低温运行条件下，峰值响应率、光暗电流比以及探测率分别达到了2.8×10 A/W、3.7×10 与3.2×10 Jones，上述数据表明该器件在低温探测应用场景下的巨大潜力。研究团队进一步解析了光生载流子与材料缺陷之间的复杂相互作用机制。通过对光电流衰减行为的分析，明确了两个陷阱能级在不同温度区间主导了载流子复合动力学过程。这一发现不仅为阐释器件的持续光电导现象提供了关键实验证据，更为提升低温光电探测器的探测率与响应速度等核心性能指标指明了方向。

该工作以Photoresponsivity of p-GaN HEMT-based ultraviolet photodetectors at low temperatures为题发表于Applied Physics Letters 126, 192101 (2025)。

图2. (a) 紫外-太赫兹全光谱光电探针台的照片、(b) 变温条件下光电流特性测试、(c) 响应度随温度及光强变化的变化关系；(d) 不同温度下的瞬态光电响应特性测试。

高响应度凹槽栅AlGaN/GaN双沟道HEMT紫外探测器

为了进一步提升HEMT探测器的响应度，解决p-GaN栅吸收紫外光导致的损耗问题，研究团队创新性地提出了AlGaN/GaN双沟道紫外光电探测器的结构。该器件通过双二维电子气沟道设计实现了性能突破：一方面，采用原位生长的超薄AlGaN下势垒层，不仅使器件具备常关工作特性，简化了电路设计并降低功耗；另一方面，通过在AlGaN/GaN异质结中引入GaN插入层，有效缓解了刻蚀工艺对主导光电流的下层二维电子气沟道产生的损伤。实验表明，在9.7 μW/cm 紫外光照射下，器件展现出2.1×10 A/W的高响应度和1.7×10 Jones的比探测率，证实了其对弱光信号检测能力。同时，在500 Hz脉冲光照条件下，器件仍保持了优异的瞬态响应特性。这种兼具工艺简洁性和性能优势的双沟道结构，为开发新一代高性能紫外光探测器提供了创新的技术路径，在光通信、空间探测等领域具有重要应用前景。

该工作以Ultrahigh-Responsivity Ultraviolet Photodetectors based on AlGaN/GaN Double-Channel High-Electron-Mobility Transistors为题发表于ACS Photonics11, 180 (2024)。