Ultrahigh detectivity, high-speed and low-dark current AlGaN solar-blind heterojunction field-effect phototransistors realized using dual-float-photogating effect

Abstract

High detectivity is essential for solar-blind deep-ultraviolet (DUV) light detection because the DUV signal is extremely weak in most applications. In this work, we report ultrahigh-detectivity AlGaN-based solar-blind heterojunction-field-effect phototransistors fabricated utilizing dual-float-photogating effect. The <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline" id="m1"> <mml:mrow> <mml:msup> <mml:mrow> <mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>+</mml:mo> </mml:mrow> </mml:msup> <mml:mtext>-</mml:mtext> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi>Al</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>0.4</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msub> <mml:mi>GaN</mml:mi> </mml:mrow> </mml:math> layer and <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline" id="m2"> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi>Al</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>0.4</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msub> <mml:mi>GaN</mml:mi> </mml:mrow> </mml:math> absorber layer deposited on the <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline" id="m3"> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi>Al</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>0.6</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msub> <mml:mi>GaN</mml:mi> </mml:mrow> </mml:math> barrier serve as top pin-junction photogate, while the thin <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline" id="m4"> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi>Al</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>0.4</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msub> <mml:mi>GaN</mml:mi> </mml:mrow> </mml:math> channel layer with a strong polarization field inside acts as virtual back photogate. Due to the effective depletion of the two-dimensional electron gas at the <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline" id="m5"> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi>Al</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>0.6</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msub> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi>Ga</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>0.4</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msub> <mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi> <mml:mo>/</mml:mo> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi>Al</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>0.4</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msub> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi>Ga</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>0.6</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msub> <mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi> </mml:mrow> </mml:math> heterointerface by the top photogate, the dark current was suppressed below 2 pA in the bias range of 0 to 10 V. A high photo-to-dark current ratio over <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline" id="m6"> <mml:mrow> <mml:msup> <mml:mrow> <mml:mn>10</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mn>8</mml:mn> </mml:msup> </mml:mrow> </mml:math> and an optical gain of <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline" id="m7"> <mml:mrow> <mml:mn>7.5</mml:mn> <mml:mo>×</mml:mo> <mml:msup> <mml:mrow> <mml:mn>10</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mn>4</mml:mn> </mml:msup> </mml:mrow> </mml:math> were demonstrated at a bias of 5 V. Theoretical analysis indicates that the optical gain can be attributed to the joint action of the floating top and back photogates on the channel current. As a result, a record high flicker noise (Johnson and shot noise) limited specific detectivity of <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline" id="m8"> <mml:mrow> <mml:mn>2.84</mml:mn> <mml:mo>×</mml:mo> <mml:msup> <mml:mrow> <mml:mn>10</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>15</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msup> </mml:mrow> </mml:math> <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline" id="m9"> <mml:mrow> <mml:mo stretchy="false">(</mml:mo> <mml:mn>2.91</mml:mn> <mml:mo>×</mml:mo> <mml:msup> <mml:mrow> <mml:mn>10</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>17</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msup> <mml:mo stretchy="false">)</mml:mo> <mml:mtext> </mml:mtext> <mml:mi>cm</mml:mi> <mml:mtext> </mml:mtext> <mml:msup> <mml:mrow> <mml:mi>Hz</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>0.5</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msup> <mml:mtext> </mml:mtext> <mml:msup> <mml:mi mathvariant="normal">W</mml:mi> <mml:mrow> <mml:mo>−</mml:mo> <mml:mn>1</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msup> </mml:mrow> </mml:math> was obtained. Furthermore, high response speed at the microsecond level was also shown in the devices. This work provides a promising and feasible approach for high-sensitivity DUV detection.

Topics & Concepts