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硅基單片集成UV LED/光電探測器

稿件來源:今日半導體 責任編輯:ICAC 發布時間:2021-03-15

  光電探測器以類似于光電晶體管的方式工作,在一對歐姆接觸之間使用6μmx100μm的p-GaN光學柵極。30μmx100μmLED通過p-GaN陽極提供的空穴的復合產生光子,并從在AlGaN/GaN界面附近形成的二維電子氣(2DEG)產生電子。在HEMT和HKUST光電探測器結構中,2DEG構成了可以通過外部手段控制其電阻的通道。

  制造順序為:制造用于LED陽極和光電探測器柵極的p-GaN圖案;制造用于LED陰極和光電探測器AlGaN觸點的鈦/鋁/鎳/金歐姆接觸沉積;氟離子注入隔離器件;用50nm等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)二氧化硅(SiO2)鈍化;在LED p-GaN陽極上進行透明的鎳/金歐姆接觸沉積和退火;厚的鎳/金接觸墊沉積。

  在5V偏壓下,該光電檢測器在商用LED照明下(功率為0.024mW/cm2、波長為365nm),暗電流為3.9x10-7mA/mm,光電流為0.43mA/mm。研究人員將光暗電流比為1.1x106描述為“出色”。低暗電流歸因于AlGaN/GaN界面處2DEG的耗盡,盡管施加了5V偏壓,但仍在p-GaN層下方形成了高電阻率溝道。UV照明在柵極下方創建了導電的2DEG通道。光電探測器的“超高”響應度為3.5x105A/W。

  這些功能使光電探測器能夠對芯片上小型LED光源的信號進行高靈敏度的光檢測,即使其輸出功率相對較低的也是如此。

  LED具有約4.65V的高導通電壓,由于橫向進入區域的緣故,正向偏置下的電流注入往往會在約10V的高偏置下飽和。在10V下注入的電流為267A/cm2。LED的光譜峰值約為360nm波長,半峰全寬(FWHM)為7nm。

  LED光電檢測器組合在某種意義上以類似于晶體管的方式進行操作,其中LED偏置為柵極電勢,光電檢測器電流為溝道。在5V光電檢測器偏置下,耦合效率(PD/LED電流比)為0.022,與已報道的其他器件相比非常好。

  在使用Si MOSFET向LED注入電流的電路中測試了LED-PD系統的“頻率響應”。對方波信號的響應的上升和下降時間分別為0.41s和0.36s。估計光電檢測器的電阻電容延遲約為100ns,主要延遲因素似乎是AlGaN/GaN異質結構中的持久光電導效應。該團隊計劃優化p-GaN蝕刻步驟和鈍化,以消除陷阱效應,從而提高響應速度。研究人員還建議,向光電檢測器的p-GaN柵極增加偏壓可能是獲得更快響應的另一條途徑。

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