中國科大在半導體p-n異質結中實現光電流極性反轉
中國科大在半導體p-n異質結中實現光電流極性反轉
來源：中國科學技術大學
近日，中國科學技術大學微電子學院龍世兵教授、孫海定研究員團隊在氮化鎵（GaN）半導體p-n異質結中實現了獨特的光電流極性反轉（即雙向光電流現象）。相關成果以“Bidirectional photocurrent in p–n heterojunction nanowires”為題于9月23日發表在《自然?電子學》上（Nature Electronics 2021, 4, 645–652）。這是中國科大首次以第一作者單位在電子器件領域知名期刊Nature Electronics上發表研究論文。
半導體p-n結具有獨特的整流特性，是眾多電子元器件的基本構成單元，基于此所構建的傳統固態光電探測器(solid-state photodetector)可將光信號捕獲并轉換為輸出電信號，被廣泛應用于成像、傳感、探測等領域。然而，該類器件受限于傳統p-n結的工作機理，其工作特征須遵照以下原則：(1)入射光子能量大于半導體的帶隙；(2)在固定偏壓下，產生的光電流朝固定方向單向流動（單向光電流），這大大限制了其在特殊應用場景（例如高分辨多色成像、生物光電檢測、便攜式小型光譜儀、多通道光通信和光邏輯運算等）中的應用。
近年來，脫離于經典固態光電探測器的光電化學光探測器(photoelectrochemical photodetector: PEC PD)引起了人們的濃厚興趣，其工作過程不僅包含傳統半導體物理中載流子的產生、分離及傳輸過程，還涉及電子和空穴在半導體表面/電解液界面處的氧化/還原反應過程。重要的是，在光電探測和傳感過程中，通過將化學反應過程與經典半導體物理過程相交叉，為操控載流子輸運過程，實現半導體器件中的電流信號多維度調控提供了新的自由度。因此，過去兩年多來，團隊利用分子束外延（MBE）技術所制備的高晶體質量氮化鎵（GaN）納米線，構建了應用于日盲紫外光探測領域的光電化學光探測器[Nano Letters 2021, 21, 120-129; Advanced Optical Materials 2021, 9, 2000893]。更進一步，詳細討論了GaN基p-n結納米線內部的電荷轉移動力學，并通過在半導體納米線表面修飾貴金屬納米顆粒，實現了電荷轉移動力學的可控調制及高效紫外光探測[Advanced Functional Materials 2021, 31, 2103007]。
圖1.器件工作原理示意圖
基于前期的工作積累，研究人員從GaN基半導體p-n異質結能帶結構設計，MBE外延工藝探索及納米線形貌調控出發，結合DFT第一性原理理論計算優化及半導體表面金屬鉑（Pt）納米顆粒定向修飾，成功構建了基于p-AlGaN/n-GaN異質p-n結的光譜可分辨型光電探測器[Nature Electronics 2021, 4, 645–652]。圖1為器件的工作原理示意圖。在固定偏壓下，該器件在兩種不同波長光的照射下展現出獨特的光電流極性反轉現象：在254nm光照下光電流為負電流，而在365nm光照下光電流為正電流。具體來說，為實現光電流極性反轉，特殊設計的頂部p-AlGaN被用于與底部n-GaN共同吸收波長254 nm的光（圖1b）。在254nm光照射下，p-AlGaN和n-GaN中同時產生電子-空穴對（圖1a）。其中，p-AlGaN在電解質溶液中向下的表面能帶彎曲有利于其中的光生電子向納米線表面漂移，驅動質子還原反應，而光生空穴則向p-n結中的空間電荷區域遷移，與n-GaN產生的光生電子隧穿復合。與此同時，n-GaN中的光生空穴流經外電路，表現出負的光電流信號。而當納米線暴露在365nm光下時，因p-AlGaN不吸收365nm光照，僅有n-GaN吸收365nm光照后產生光生電子-空穴對。而后，由n-GaN在電解質溶液中呈現的向上表面能帶彎曲作為驅動力，促使n-GaN中的光生空穴漂移到納米線/溶液界面并進行水氧化反應。同時，在表面能帶彎曲和p-n結內建電場共同作用下，電子向外電路漂移，被記錄為正的光電流。更進一步，理論計算證實：通過在半導體p-AlGaN表面修飾貴金屬Pt納米顆粒可以有效改善氫吸附自由能并提高光電化學光探測過程中的光生載流子分離效率。據此，研究人員利用光化學還原法，成功在納米線p-AlGaN（000-1）晶面定向修飾Pt納米顆粒（圖2b-d）。最終，在固定偏壓下，研究人員成功觀察到在不同波長光照下GaN基pn結納米線中的光電流極性反轉現象（圖2a）。
圖2.器件在不同波長光照下的光響應性能（a）及Pt納米顆粒修飾p-n異質結納米線形貌表征（b,c,d）
該新型器件架構不僅克服了傳統固態p-n結光電探測器的功能限制，通過改變半導體材料本身帶隙（如組分調控等手段），還可以實現從深紫外到近紅外全光譜響應覆蓋，有望為便攜式光譜儀、液體環境（如水下，生物體內）光電探測和傳感、高分辨率多通道光電傳感器/成像設備、光控邏輯電路等未來新學科交叉領域帶來新的應用突破。
中國科學技術大學微電子學院孫海定研究員為論文通訊作者，微電子學院博士生汪丹浩為論文第一作者，合肥微尺度物質科學國家研究中心胡偉研究員，美國密歇根大學Mi Zetian教授，澳大利亞國立大學傅嵐教授（中國科大微電子學院客座教授）參與了項目的聯合攻關。此項研究工作得到了國家自然科學基金項目、中科大雙一流建設經費、中央高校基本科研基金等專項經費的資助，也得到了中國科大微電子學院、中國科大微納研究與制造中心、中國科大信息科學實驗中心、國家同步輻射實驗室和中科院無線光電通信重點實驗室的支持。
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