We demonstrate large area (25 000 μm2) Al-rich AlGaN-based avalanche photodiodes (APDs) grown on single crystal AlN substrates operating with differential (the difference in photocurrent and dark current) signal gain of 100 000 at 90 pW (<1 μW cm−2) illumination with very low dark currents <0.1 pA at room temperature under ambient light. The high gain in large area AlGaN APDs is attributed to a high breakdown voltage at 340 V, corresponding to very high breakdown fields ∼9 MV cm−1 as a consequence of low threading and screw dislocation densities < 103 cm−2. The maximum charge collection efficiency of 30% was determined at 255 nm, corresponding to the bandgap of Al0.65Ga0.35N, with a response of 0.06 A/W. No response was detected for λ > 280 nm, establishing solar blindness of the device.

1.
G. A.
Shaw
,
A. M.
Siegel
,
J.
Model
,
A.
Geboff
,
S.
Soloviev
,
A.
Vert
, and
P.
Sandvik
,
Proc. SPIE
7320
,
73200J
(
2009
).
2.
E.
Bellotti
and
F.
Bertazzi
,
J. Appl. Phys.
111
,
103711
(
2012
).
3.
E.
Bellotti
and
F.
Bertazzi
,
Proc. SPIE
8980
,
89800R
(
2014
).
4.
L.
Hahn
,
F.
Fuchs
,
L.
Kirste
,
R.
Driad
,
F.
Rutz
,
T.
Passow
,
K.
Köhler
,
R.
Rehm
, and
O.
Ambacher
,
Appl. Phys. Lett.
112
,
151102
(
2018
).
5.
Y.
Huang
,
D. J.
Chen
,
H.
Lu
,
K. X.
Dong
,
R.
Zhang
,
Y. D.
Zheng
,
L.
Li
, and
Z. H.
Li
,
Appl. Phys. Lett.
101
,
253516
(
2012
).
6.
Z. G.
Shao
,
D. J.
Chen
,
H.
Lu
,
R.
Zhang
,
D. P.
Cao
,
W. J.
Luo
,
Y. D.
Zheng
,
L.
Li
, and
Z. H.
Li
,
IEEE Electron Device Lett.
35
,
372
(
2014
).
7.
L.
Sun
,
J.
Chen
,
J.
Li
, and
H.
Jiang
,
Appl. Phys. Lett.
97
,
191103
(
2010
).
8.
J. W. P.
Hsu
,
M. J.
Manfra
,
R. J.
Molnar
,
B.
Heying
, and
J. S.
Speck
,
Appl. Phys. Lett.
81
,
79
(
2002
).
9.
S.
Usami
,
Y.
Ando
,
A.
Tanaka
,
K.
Nagamatsu
,
M.
Deki
,
M.
Kushimoto
,
S.
Nitta
,
Y.
Honda
,
H.
Amano
,
Y.
Sugawara
,
Y.-Z.
Yao
, and
Y.
Ishikawa
,
Appl. Phys. Lett.
112
,
182106
(
2018
).
10.
A.
Chatterjee
,
S. K.
Khamari
,
V. K.
Dixit
,
S. M.
Oak
, and
T. K.
Sharma
,
J. Appl. Phys.
118
,
175703
(
2015
).
11.
Y.
Saitoh
,
K.
Sumiyoshi
,
M.
Okada
,
T.
Horii
,
T.
Miyazaki
,
H.
Shiomi
,
M.
Ueno
,
K.
Katayama
,
M.
Kiyama
, and
T.
Nakamura
,
Appl. Phys. Express
3
,
081001
(
2010
).
12.
I.
Bryan
,
Z.
Bryan
,
S.
Washiyama
,
P.
Reddy
,
B.
Gaddy
,
B.
Sarkar
,
M.
Hayden Breckenridge
,
Q.
Guo
,
M.
Bobea
,
J.
Tweedie
,
S.
Mita
,
D.
Irving
,
R.
Collazo
, and
Z.
Sitar
,
Appl. Phys. Lett.
112
,
062102
(
2018
).
13.
R.
Dalmau
,
B.
Moody
,
R.
Schlesser
,
S.
Mita
,
J.
Xie
,
M.
Feneberg
,
B.
Neuschl
,
K.
Thonke
,
R.
Collazo
,
A.
Rice
,
J.
Tweedie
, and
Z.
Sitar
,
J. Electrochem. Soc.
158
,
H530
(
2011
).
14.
D.
Ehrentraut
and
Z.
Sitar
,
MRS Bull.
34
,
259
(
2009
).
15.
R.
Dalmau
and
Z.
Sitar
, in
Springer Handbook of Crystal Growth
, edited by
G.
Dhanaraj
,
K.
Byrappa
,
V.
Prasad
, and
M.
Dudley
(
Springer
,
Berlin/Heidelberg
,
2010
), pp.
821
843
.
16.
R.
France
,
T.
Xu
,
P.
Chen
,
R.
Chandrasekaran
, and
T. D.
Moustakas
,
Appl. Phys. Lett.
90
,
062115
(
2007
).
17.
R.
Collazo
,
S.
Mita
,
J.
Xie
,
A.
Rice
,
J.
Tweedie
,
R.
Dalmau
, and
Z.
Sitar
,
Phys. Status Solidi C
8
,
2031
(
2011
).
18.
L.
Gordon
,
J. L.
Lyons
,
A.
Janotti
, and
C. G.
Van de Walle
,
Phys. Rev. B
89
,
085204
(
2014
).
19.
P.
Reddy
,
Q.
Guo
,
J.
Tweedie
,
S.
Washiyama
,
F.
Kaess
,
S.
Mita
,
M. H.
Breckenridge
,
R.
Kirste
,
R.
Collazo
,
A.
Klump
,
B.
Sarkar
, and
Z.
Sitar
, in
IEEE Research and Applications of Photonics in Defense (RAPID) Conference
(
2018
), pp.
1
4
.
20.
A.
Agarwal
,
M.
Tahhan
,
T.
Mates
,
S.
Keller
, and
U.
Mishra
,
J. Appl. Phys.
121
,
025106
(
2017
).
21.
H.
Xing
,
D. S.
Green
,
H.
Yu
,
T.
Mates
,
P.
Kozodoy
,
S.
Keller
,
S. P.
DenBaars
, and
U. K.
Mishra
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 1
42
,
50
(
2003
).
22.
D.
Alden
,
J. S.
Harris
,
Z.
Bryan
,
J. N.
Baker
,
P.
Reddy
,
S.
Mita
,
G.
Callsen
,
A.
Hoffmann
,
D. L.
Irving
,
R.
Collazo
, and
Z.
Sitar
,
Phys. Rev. Appl.
9
,
054036
(
2018
).
23.
S. G.
Christenson
,
W.
Xie
,
Y. Y.
Sun
, and
S. B.
Zhang
,
J. Appl. Phys.
118
,
135708
(
2015
).
24.
D. O.
Demchenko
,
I. C.
Diallo
, and
M. A.
Reshchikov
,
Phys. Rev. Lett.
110
,
087404
(
2013
).
25.
F.
Kaess
,
S.
Mita
,
J.
Xie
,
P.
Reddy
,
A.
Klump
,
L. H.
Hernandez-Balderrama
,
S.
Washiyama
,
A.
Franke
,
R.
Kirste
,
A.
Hoffmann
,
R.
Collazo
, and
Z.
Sitar
,
J. Appl. Phys.
120
,
105701
(
2016
).
26.
J. L.
Lyons
,
A.
Janotti
, and
C. G. V.
de Walle
,
Appl. Phys. Lett.
97
,
152108
(
2010
).
27.
J. S.
Speck
and
S. J.
Rosner
,
Physica B
273–274
,
24
(
1999
).
28.
P.
Reddy
,
S.
Washiyama
,
F.
Kaess
,
R.
Kirste
,
S.
Mita
,
R.
Collazo
, and
Z.
Sitar
,
J. Appl. Phys.
122
,
245702
(
2017
).
29.
E. C. H.
Kyle
,
S. W.
Kaun
,
P. G.
Burke
,
F.
Wu
,
Y.-R.
Wu
, and
J. S.
Speck
,
J. Appl. Phys.
115
,
193702
(
2014
).
30.
R.
Schlesser
,
R.
Dalmau
, and
Z.
Sitar
,
J. Cryst. Growth
241
,
416
(
2002
).
31.
J.
Tweedie
,
R.
Collazo
,
A.
Rice
,
J.
Xie
,
S.
Mita
,
R.
Dalmau
, and
Z.
Sitar
,
J. Appl. Phys.
108
,
043526
(
2010
).
32.
I.
Bryan
,
Z.
Bryan
,
S.
Mita
,
A.
Rice
,
L.
Hussey
,
C.
Shelton
,
J.
Tweedie
,
J.-P.
Maria
,
R.
Collazo
, and
Z.
Sitar
,
J. Cryst. Growth
451
,
65
(
2016
).
33.
R.
Kirste
,
Q.
Guo
,
J. H.
Dycus
,
A.
Franke
,
S.
Mita
,
B.
Sarkar
,
P.
Reddy
,
J. M.
LeBeau
,
R.
Collazo
, and
Z.
Sitar
,
Appl. Phys. Express
11
,
082101
(
2018
).
34.
D.-S.
Wuu
,
H.-W.
Wu
,
S.-T.
Chen
,
T.-Y.
Tsai
,
X.
Zheng
, and
R.-H.
Horng
,
J. Cryst. Growth
311
,
3063
(
2009
).
35.
M. J.
Kappers
,
R.
Datta
,
R. A.
Oliver
,
F. D. G.
Rayment
,
M. E.
Vickers
, and
C. J.
Humphreys
,
J. Cryst. Growth
300
,
70
(
2007
).
36.
S.
Sakai
,
T.
Wang
,
Y.
Morishima
, and
Y.
Naoi
,
J. Cryst. Growth
221
,
334
(
2000
).
37.
S.
Keller
,
B. P.
Keller
,
Y.-F.
Wu
,
B.
Heying
,
D.
Kapolnek
,
J. S.
Speck
,
U. K.
Mishra
, and
S. P.
DenBaars
,
Appl. Phys. Lett.
68
,
1525
(
1996
).
38.
B. B.
Haidet
,
B.
Sarkar
,
P.
Reddy
,
I.
Bryan
,
Z.
Bryan
,
R.
Kirste
,
R.
Collazo
, and
Z.
Sitar
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 1
56
,
100302
(
2017
).
39.
J. O.
Song
,
S. H.
Kim
,
J. S.
Kwak
, and
T. Y.
Seong
,
Appl. Phys. Lett.
83
,
1154
(
2003
).
40.
R.
Collazo
,
J.
Xie
,
B. E.
Gaddy
,
Z.
Bryan
,
R.
Kirste
,
M.
Hoffmann
,
R.
Dalmau
,
B.
Moody
,
Y.
Kumagai
,
T.
Nagashima
,
Y.
Kubota
,
T.
Kinoshita
,
A.
Koukitu
,
D. L.
Irving
, and
Z.
Sitar
,
Appl. Phys. Lett.
100
,
191914
(
2012
).
41.
Q.
Yan
,
A.
Janotti
,
M.
Scheffler
, and
C. G.
Van de Walle
,
Appl. Phys. Lett.
105
,
111104
(
2014
).
42.
B. E.
Gaddy
,
Z.
Bryan
,
I.
Bryan
,
J.
Xie
,
R.
Dalmau
,
B.
Moody
,
Y.
Kumagai
,
T.
Nagashima
,
Y.
Kubota
,
T.
Kinoshita
,
A.
Koukitu
,
R.
Kirste
,
Z.
Sitar
,
R.
Collazo
, and
D. L.
Irving
,
Appl. Phys. Lett.
104
,
202106
(
2014
).
43.
B.
Sarkar
,
P.
Reddy
,
A.
Klump
,
F.
Kaess
,
R.
Rounds
,
R.
Kirste
,
S.
Mita
,
E.
Kohn
,
R.
Collazo
, and
Z.
Sitar
,
J. Electron. Mater.
47
,
305
(
2018
).
44.
Z.
Zhang
,
M.
Kushimoto
,
T.
Sakai
,
N.
Sugiyama
,
L. J.
Schowalter
,
C.
Sasaoka
, and
H.
Amano
,
Appl. Phys. Express
12
,
124003
(
2019
).
45.
F.
Yan
,
J. H.
Zhao
, and
G. H.
Olsen
,
Solid-State Electron
44
,
341
(
2000
).
46.
D.
Decoster
and
J.
Harari
,
Optoelectronic Sensors
, 1 ed. (
Wiley/ISTE
,
Hoboken, NJ/London
,
2009
).
You do not currently have access to this content.