复旦大学微电子学院卢红亮课题组提出极化诱导光电流转换（PIPS）效应实现芯片级双极型紫外光电二极管
2022-9
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作为将光信号转换为电信号的光电接口，半导体光电二极管（PD）在光通信和光逻辑等集成光电子系统中发挥着至关重要的作用。然而，传统的基于体材料的PD受限于体内单极性的光生电场，导致其难以实现光电流的极性（方向）转换，这无疑限制了器件输出模式和多功能应用。为了实现器件的双极性光电流，使器件在不同能量光子辐照下表现出不同方向的光电流（双极型），光电器件领域的研究者们提出了光电化学（PEC）效应、光热电（PTE）效应、等离子基元辅助下的光伏（PV）效应三种解决方案。然而，这三种方案分别存在复杂电化学装置不利于器件的小型化和集成化应用、环境因素导致器件可靠性低、低维纳米颗粒的制备难以保证器件的均一性和集成兼容性等问题。所以，开发一种与传统器件工艺兼容的、基于PV效应的、芯片级薄膜器件是实现高性能双极型器件的优选方案。
近日，复旦大学微电子学院卢红亮教授团队提出了一种全新的半导体光电效应——极化诱导光电流转换（PIPS）效应。基于此效应，利用GaN基异质结中对立的极化电场实现了芯片级紫外光电二极管（UV-PD）的双极性探测功能。相关工作以“Polarization-induced photocurrent switching effect in heterojunction photodiodes”为题发表于Nano Research杂志上，文章链接：https://www.sciopen.com/article/10.1007/s12274-022-5086-8。微电子学院教授卢红亮，电子与信息工程学院研究员沈超为通讯作者，博士研究生陈丁波为第一作者。
由于不同能量的光子使得异质结不同区域产生不同状态的本征激发，在极化电场的作用下形成方向相反的光生电场和光电流。器件在300 nm紫外光照射下表现出-6.7 mA/W的负极性光电流，在340 nm紫外光照射下则表现出5.3 mA/W的正极性光电流，并且响应时间和恢复时间均低于10 ms。另外，本工作还利用原位生长SiNx介电插入层解决了双极型器件瞬态光电流尖峰的问题，并通过实验测试揭示了瞬态光电流尖峰产生的原理。最后，利用单个UV-PD在双UV光源辐照下演示了三种特殊的逻辑操作，相对于高光子能量光源的功率，调节低光子能量光源的功率可以实现逻辑门的转换，这种特殊的逻辑操作和器件调制转换性能将使得器件在多功能光通信、光逻辑领域表现出应用潜力。
图1：（a）双极型UV-PD的结构示意图；（b）负极性光电流产生的能带、电场、电流示意图；（c）正极性光电流产生的能带、电场、电流示意图（红色箭头表示极化电场）
图2：（a）双极型UV-PD在不同能量光子辐射下的动态光电流响应；（b）响应度-波长曲线；（c）正负极性光电流在不同辐照能量下的变化
图3：（a）双极型UV-PD在双UV光源辐射下测试示意图；（b）逻辑真值表；（c）、（d）、（e）不同输入功率组合下形成的特殊逻辑门