UV-Photodetektoren auf Basis von AlGaN/GaN-Heterostrukturen für optische Schalter
Abb. 1: Schema des Al0.25Ga0.75N/GaN-basierten UV-Photodetektors (a) Aufsicht, (b) Schnitt.
Abb. 2: Strom-Spannungs-Kennlinien für Betriebsströme bis 100 V bei Beleuchtung mit Lichtleistungen zwischen 4 µW/cm² und 100 µW/cm² mit einer Wellenlänge von 355 nm, Inset: dazugehöriger Dunkelstrom.
Abb. 3: Spektren der Empfindlichkeit des UV-Photodetektors für eingestrahlte Lichtleistungen bis 100 μW/cm² und Betriebsspannungen zwischen 5 V und 100 V.
Durch ihre Unempfindlichkeit für sichtbare Strahlung (Solarblindheit) und hohe Strahlungsfestigkeit bieten sich GaN-basierte UV-Photodetektoren für eine Vielzahl von Anwendungen an. So sind sie beispielsweise zur einfachen, genauen und langzeitstabilen Kontrolle von Hochleistungs-UV-Lampen, UV-LEDs und Excimer-Lasern geeignet. Diese werden u.a. in der Halbleitertechnologie, der Trinkwasserentkeimung und der Medizintechnik eingesetzt.
Durch entsprechende Wahl des Al-Anteils kann zudem die maximale detektierte Wellenlänge im Bereich zwischen 200 nm und 360 nm eingestellt und damit an die spezifische Anwendung angepasst werden. Alternativ ist es möglich, UV-Photodetektoren direkt aus AlGaN/GaN-Heterostrukturen von Transistoren zu fertigen. Damit können z.B. elektronische Schaltungen optisch angesteuert werden. Erst kürzlich haben Wissenschaftler des FBH in Kooperation mit der TU Berlin einen derartigen UV-Photodetektor demonstriert. Er ist vom Typ MSM und besteht aus zwei Ohmschen Kontakten, zwischen denen der photoempfindliche Bereich liegt (Abb. 1). Das zweidimensionale Elektronengas an der Grenzfläche AlGaN/GaN dient dabei als eingebaute Zuleitung. Wegen der internen Verstärkung ist dieser Detektor besonders für Anwendungen mit hohen Photoströmen interessant.
Der hier vorgestellte Photodetektor erreicht bei 100 V Betriebsspannung Photoströme im mA-Bereich (Abb. 2); mit einem Dunkelstrom unter 100 nA ist das An-/Aus-Verhältnis größer als 104. Abb. 3 zeigt Empfindlichkeitsspektren des Detektor, wobei die Empfindlichkeit Werte bis zu 70 A/mW erreicht. Die Cut-Off-Wellenlänge beträgt 365 nm. Der Kontrast zwischen der UV-Empfindlichkeit und der im sichtbaren Bereich liegt bei 104.
Publikation:
M. Martens, J. Schlegel, P. Vogt, F. Brunner, R. Lossy, J. Würfl, M. Weyers, M. Kneissl, "High gain UV photodetectors based on AlGaN/GaN heterostructures for optical switching" (zur Veröffentlichung angenommen in Applied Physics Letters)
Patentanmeldung DE 10 2011 075 103.3.
FBH-Forschung: 20.05.2011