文章导读
基于 GaN/ZnO:Ga/GaAs 双异质结的可见光盲区双极响应光电探测器及其双波段光电子逻辑运算
研究背景
随着信息技术的发展，对多功能光电探测的需求迅速增长。大多数光电探测器（如 PN 和 PIN 结）的适应性有限，因为它们只能对特定波长的光产生单向光电信号。而具有双极光响应输出能力的光电探测器在集成度和功能性方面具有优势，在智能传感器、人工神经系统和光学逻辑门中具有潜在应用。过去，人们通过设计背靠背二极管、调整能带排列和耦合多物理效应等方法，研究了在异质结器件中产生双极光响应的途径。现有研究主要通过调控不同光谱区域的竞争机制来实现光电流极性控制。多数研究采用钙钛矿、CdSe和SnSe等宽带隙材料构建多层异质结，这些材料对可见光具有高吸收和强光响应特性。传统双极响应光电探测器通常对可见光有明显响应。而抗可见光干扰能力强的探测器可在存在背景噪声的特殊环境中工作，既无需复杂光学滤波器，又能简化系统设计并降低成本。因此，开发对可见光盲区的新型双极光电探测器具有重要应用前景。
本研究基于GaN/ZnO:Ga/GaAs非对称双异质结，研制出可用于光学逻辑运算的可见光盲区双极响应光电探测器。得益于多层材料的光吸收特性和优化的能带结构，该器件表现出双极光响应特性。在自供电条件下，器件仅对紫外（UV）和红外（IR）波段产生光响应，而对可见光保持惰性。通过精确调控UV和IR光强，仅需单个探测器即可实现光学逻辑运算。这项研究实现了非可见光波段的双极探测与光学逻辑运算，在裸眼不可见的特殊应用领域具有重要潜力。
研究内容
图1. GaN/ZnO:Ga/GaAs 光电探测器的表征与分析。(a) 探测器结构示意图；(b) 探测器俯视图的光学图像，插图为 ZnO:Ga 微晶一端的放大视图；(c) ZnO:Ga 微晶的扫描电子显微镜（SEM）图像及 Zn、O、Ga 元素的 mapping 图像；(d) GaN 和 ZnO:Ga 微晶的吸收光谱，以及 GaAs 的反射光谱；(e) 入射光波长与器件高度方向的电场分布关系；(f) 365、532 和 1050 nm 波长下电场强度随高度的变化曲线
本文中使用我司 “ MStarter ABS ” 研究了 GaN 和 ZnO:Ga MC 的吸收以及 GaAs 的反射率。
MStarter ABS 深紫外-近红外显微吸收光谱测试系统
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该光电探测器由垂直堆叠的双面抛光 p 型 GaN 晶圆、n 型 Ga 掺杂 ZnO 微晶（ZnO:Ga MC）和 p 型 GaAs 组成，如图 1（a）所示。n 型 ZnO:Ga MC 通过化学气相沉积（CVD）方法合成。p 型层上沉积 Ti/Au 薄膜作为电极。ZnO:Ga MC 足够厚，以防止GaN和GaAs直接接触。为确保器件的稳定性，在GaN和GaAs之间放置一薄层聚二甲基硅氧烷（PDMS），以避免两种 p 型材料的边缘直接接触导致显著的漏电流，如图 1（b）所示。所有层垂直堆叠，界面处几乎没有褶皱和缺陷。图 1（c）显示，ZnO:Ga MC 具有均匀的形貌和表面，直径为 10μm。基于相应的元素映射，Zn、O 和 Ga 元素在 ZnO:Ga MC 中分布均匀。紫外-可见-近红外光谱结果 （图 1（d））显示，ZnO:Ga和GaN的吸收主要位于紫外区域（250-380 nm），而在可见光和红外区域的吸收显著减弱。此外，GaAs衬底在整个波长范围内保持极低的反射率，这将减少检测过程中的光子损失。我们对GaN/ZnO:Ga/GaAs结构在单色光照射(250-1100nm)下的垂直截面进行了光场模拟。基于材料的复折射率和厚度参数计算了光场分布。图1(e)显示了电场强度随波长的变化规律，其振荡现象源于薄膜中的光干涉效应。
在紫外波段，电场主要集中于GaN层，这源于其强吸收特性。随着波长增加，光的穿透深度显著提高，光场扩展至GaN和ZnO:Ga MC区域。当波长进入红外区时，光场可贯穿整个GaAs层并快速衰减。特定波长(365nm、532nm和1050nm)下的电场分布如图1(f)所示：365nm光照时GaN层呈现强电场；532nm时电场主要分布在ZnO:Ga层；而1050nm光具有更强的穿透能力，可透过GaN和ZnO:Ga层，在GaAs层形成更显著的电场分布。这表明不同波长的光能在异质结的不同区域激发载流子。
图2. GaN/ZnO:Ga/GaAs光电探测器的光电特性与工作机制。(a)暗态及光照(365nm和1050nm，10mW/cm²)下的I-V曲线；(b)零偏压下光照开关的I-T曲线；(c)平衡态能带图，底部为空穴浓度模拟；(d)(e)分别为365nm和1050nm光照下的工作机制：红色箭头表示电子流向，蓝色箭头为空穴流向，底部为外电路电流方向；(f)两个异质结(PN结和NP结)的串联等效电路：上下部分分别展示p-GaN/ZnO:Ga和ZnO:Ga/p-GaAs探测器的结构示意图及I-V曲线
普通PN结光电二极管仅能产生单极光响应，而GaN/ZnO:Ga/GaAs双异质结则展现出可调的双极光谱响应特性。如图2(a)所示，该探测器具有典型光伏特性：在365nm紫外光和1050nm红外光照射下分别产生极性相反的电流（10mW/cm2功率密度时，开路电压Voc分别为-0.29V和+0.16V）。图2(b)的零偏压I-T曲线显示，其短路电流Isc在两种光照下分别为2nA和-310pA。通过能带分析发现，异质结形成时会产生内建电势和能带弯曲(图2(c))。零偏压下，电势梯度引起的漂移电流与载流子浓度梯度驱动的扩散电流相互抵消。空穴浓度模拟显示GaAs层基本耗尽，GaN层近乎完全耗尽；而ZnO:Ga层因高掺杂仅形成薄耗尽层。光照打破漂移与扩散电流的平衡。365nm紫外光下，GaN层产生的电子-空穴对被内建电场E1分离，并在ZnO:Ga/GaAs界面聚集形成附加电场，抵消固有内建电场E2，从而在无外偏压下产生净光电流（图2(d)底图）。同理，1050nm红外光通过改变GaN/ZnO:Ga界面势垒产生反向光电流（图2(e)）。如图2(f)所示，该器件可等效为p-GaN/ZnO:Ga和ZnO:Ga/p-GaAs异质结的串联电路：365nm光照时，前者光伏效应(开启电压0.28V，短路电流181nA)削弱后者势垒，形成正向电流；红外光照时则相反，后者光伏效应导致反向电流。
图3. GaN/ZnO:Ga/GaAs 光电探测器的光电特性。(a) 暗态及不同功率密度 365nm光照下的I-V曲线；(b) 暗态及不同功率密度 1050 nm光照下的I-V曲线；(c) 365 nm或1050 nm 光照下I-T曲线随功率密度的变化；(d) 365 nm或1050nm光照下光电流随功率密度的变化；(e) 响应度随波长的变化；(f) 调制频率为 1000 Hz 时的典型响应时间
本文中使用我司 “ MStarter 200 ” 测量了光谱响应和响应时间。
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图S5. GaN/ZnO:Ga/GaAs光电探测器的波长-光电流特性曲线
图S6. GaN/ZnO:Ga/GaAs光电探测器在20Hz至1000Hz调制频率下的光响应特性
光电逻辑运算测试前，先测量了p-GaN/ZnO:Ga/p-GaAs探测器在365nm紫外光下的半对数I-V特性（图3(a)）。该探测器通过光-电转换实现自供电工作，当光功率从0.27增至63mW/cm2时，正向光电流IUV随GaN/ZnO:Ga结产生的载流子增多而显著上升。同理，1050nm红外光在GaAs层激发的载流子会降低GaN/ZnO:Ga势垒，从而增强反向电流IIR（图3(b)）。针对未封装的该双极光电探测器，我们使用信号发生器调控入射光源，对其关键工作稳定性进行了测试，如图3(c)所示，表现出了良好稳定性。通过拟合方程IUV=A1P^θ1和|IIR|=A2P^θ2分析发现：365nm光照时θ1≈0.92，表明载流子产生效率高；而1050nm时θ2降至0.81，说明载流子需跨越更高势垒导致复合加剧（图3(d)）。在300-1150nm波长范围内，探测器仅在紫外(正向电流)和红外(反向电流)波段响应，可见光区几乎无响应（图S5）。如图3(e)所示，响应度R在370nm处达峰值，400nm后归零，800nm以上呈反向极性。可见光照射时，背靠背结构的两个结产生方向相反的光生电压相互抵消，加之ZnO:Ga中间层成为载流子复合中心，导致净光电流微弱。光电逻辑运算对探测器响应时间要求严格。受限于半导体分析仪(Keysight B1500A)采样率，我们采用MStarter 200系统（含电流放大器和示波器）结合单色仪-斩波器光源进行精确测量。图S6显示，在20-1000Hz斩波频率下，探测器均能保持稳定响应。通过1000Hz响应曲线测得上升/下降时间分别为19.6μs和36.8μs（图3(f)），该速度优于同类双极探测器（表I），完全满足高速光电逻辑运算需求。
表1 典型自供电双极响应探测器关键参数对比
图4. 一体化光电子逻辑门。(a) 光电子逻辑运算示意图；(b) 近红外调制下紫外输入的 “或” 门 I–T 曲线；(c) 红外调制下紫外输入的 “与” 门 I–T 曲线；(d) 红外调制功率密度对应的光电流输出；(e) 紫外调制下红外输入的 “非”（“或非”）门 I-T 曲线；(f) 紫外调制下红外输入的 “与非” 门 I–T 曲线；(g) 紫外调制功率密度对应的光电流输出
基于GaN/ZnO:Ga/GaAs异质结独特的可见光盲区双极响应特性，我们实现了五种基本逻辑运算（图4(a)）：通过调节IR调制光功率（60→134mW/cm2），可使同一器件在OR/AND逻辑间可逆切换（图4(b)-(d)）；类似地，改变UV调制光功率（8.3mW/cm2）可实现NOR/NOT与NAND逻辑的转换（图4(e)-(g)）。输出电流极性定义逻辑状态（正为"1"，负为"0"）。
本文提出了一种基于GaN/ZnO:Ga/GaAs双异质结的可见光盲区双极响应光电探测器，用于光学逻辑运算。得益于多层材料的光吸收特性和适宜的能带结构，所制备的器件具有双极光响应特性。此外，该器件在零偏压下表现出可见光盲区响应。通过精确调控紫外和红外光强度，可以实现非可见光的光学逻辑运算。我们的研究不仅展示了通过精密构造开发高效双极光电探测器，还展现了其在非可见光光学逻辑运算中的应用潜力。
原文链接
Visible-blind bipolar response photodetector based on GaN/ZnO:Ga/GaAs double heterojunctions for dual-band optoelectronic logic operation
https://doi.org/10.1063/5.0250621
