能带工程实现电子/空穴自定位传输的高响应纳米线光电探测器：复合率降至13.7%

来源：X一MOL资讯

英文原题：Enhancing Performance of a GaAs/AlGaAs/GaAs Nanowire Photodetector Based on the Two-Dimensional Electron-Hole Tube Structure

通讯作者：魏志鹏，长春理工大学；廖蕾，湖南大学

作者：Xiaotian Zhu，Fengyuan Lin，Zhihong Zhang，Xue Chen，Hao Huang，Dengkui Wang，Jilong Tang，Xuan Fang，Dan Fang，Johnny C. Ho，Lei Liao*，Zhipeng Wei*

半导体纳米线因其优异的光电特性、可控的形态结构以及与成熟半导体技术的兼容性，在光电探测领域具有广泛的应用前景。为了获得较高的响应度，光电流信号需要最大化，即最大限度地减少载流子损耗。由于电子和空穴在器件内的空间分布是重叠的，在对向传输的过程中，不可避免地会发生大量复合。因此，建立一个电子和空穴传输路径独立、互不干扰的模型，势必能够使纳米线光电探测器的性能大幅提升。
为解决上述问题，长春理工大学魏志鹏教授课题组与湖南大学、武汉大学合作，通过势垒型能带结构的设计，实现了一种电子/空穴自定位传输的独特二维电子-空穴管道（2DEHT）结构纳米线光电探测器。2DEHT结构可以有效地使电子和空穴的传输路径自行分离，大幅减少纳米线中载流子的复合，从而提高光电探测器的光电响应。该探测器制备流程如图1所示，首先通过分子束外延（MBE）技术在未掺杂的Si衬底上生长了G/A/G纳米线阵列，然后通过机械剥离将单根纳米线剥离至Si/SiO2衬底上。接着化学刻蚀纳米线的一端使其露出GaAs核，最后通过在纳米线两端热蒸镀Cr/Au金属电极完成光电探测器的制备。在图1c所设计的能带结构中，光生电子和空穴分别自行聚集在GaAs和两侧AlGaAs接触所形成的界面势垒处，这在限制载流子径向扩散的同时，使电子和空穴可以沿着它们各自专属的管道有效地传输，实现载流子的自定位传输，这种结构显著减少了载流子的复合。

图1. (a) G/A/G NW PD的制备流程示意图；(b)单根G/A/G NW PD的SEM图像，插图为异质结区域；(c) G/A/G NW能带结构示意图。
团队首先通过I-V特性测量表征了G/A/G纳米线光电探测器的输出特性如图2所示。在4.1 μW/cm2的激光（808 nm）激发功率下，具有2DEHT结构的G/A/G 纳米线光电探测器的光电流达到了2.24×10-12 A，是GaAs 纳米线光电探测器光电流大小的7倍。而对比图2a和b可以清楚观察到，具有2DEHT结构的G/A/G纳米线光电探测器的光电流在较低的偏压下就表现出饱和。这是因为G/A/G纳米线中的光生载流子在2DEHT结构中自定位传输，降低了载流子与晶格缺陷的碰撞，因此减少了载流子复合的几率。

图2. (a-b) 两种纳米线探测器在不同功率强度的808 nm激发光和黑暗条件下的输出特性；（c）在5 V偏压时，两种器件的输出电流与激发功率的关系；(d)两种器件在黑暗和光场（4.1 μW/cm2）下的I-V特性。
团队进一步测量计算了两种光电探测器的光电性能如图3所示。其中具有2DEHT结构的G/A/G 纳米线光电探测器有着更高的响应度和探测率，以及更快的响应时间。计算结果表明G/A/G 纳米线光电探测器的响应度为0.57 A/W，探测率为1.83×1010 Jones，比GaAs 纳米线光电探测器的0.073 A/W和2.69×109 Jones高出近7倍。而通过瞬态光电流测量测试的结果表明：GaAs和G/A/G 纳米线光电探测器的上升时间分别为220 ms和175 ms，下降时间分别为235 ms和190 ms。其中上升时间受载流子散射和晶格缺陷的影响，2DEHT结构能有效地在很窄的特定通道内限制大量载流子，降低了载流子与晶格缺陷碰撞的概率；而下降时间主要受载流子复合过程影响，大幅减少的载流子复合使下降时间也得到改善。

图3. (a-b) GaAs和G/A/G NW PD的响应度和探测率；(c-d)一个周期中GaAs和G/A/G NW PD的瞬态响应。插图显示3个完整循环周期。
团队最后利用Silvaco Atlas软件模拟了G/A/G纳米线中载流子的浓度分布如图4所示。在光照条件下，光生电子在AlGaAs上方积累并向左侧电极传输（2DET）；而光生空穴在AlGaAs下方积累并向右侧电极传输（2DHT）。通过对比图4c和d可以清楚地观察到在2DHT的位置几乎没有电子分布。证实了2DEHT结构具有有效分离光生载流子传输路径，减少载流子复合的作用。

图4. G/A/G NW PD中载流子分布的二维剖面图：黑暗条件下电子电流密度(a)和空穴电流密度(b)；光照条件下的电子电流密度(c)和空穴电流密度(d)。
这一成果近期发表在Nano Letters 上，长春理工大学博士研究生朱笑天和助理研究员林逢源为文章的共同第一作者，长春理工大学魏志鹏教授为通讯作者。