最近，中國科學院上海技術物理研究所紅外物理國家重點實驗室胡偉達研究員、陳效雙研究員、陸衛(wèi)研究員課題組在新型納米線紅外光電探測器研究中取得進展。該實驗室相關研究人員在已有的窄禁帶InAs納米線反常光電響應研究基礎上，進一步利用該反常效應提出基于可見光誘導Photogating輔助的單根納米線紅外響應機理，并成功制備單根納米線場效應晶體管實現(xiàn)寬譜快速紅外探測。相關成果以“Visible Light-Assisted High-Performance Mid-Infrared Photodetectors Based on Single InAs Nanowire”為題發(fā)表在國際刊物Nano Letters（DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b02860，影響因子13.779），論文第一作者為博士研究生方河海，陳平平研究員和張旭濤博士生負責納米線材料生長。
為什么要研究納米線探測器？
區(qū)別于常規(guī)的三維體材料半導體和半導體薄膜，半導體納米線因其維度受限而展現(xiàn)出優(yōu)異的光電特性，比如超高內稟光電增益、多陣列限光效應、以及亞波長尺寸效應等。此外，單根納米線因其極小的探測面積在未來小型化、高度集成化器件研發(fā)中有著良好的應用前景。然而受諸多因素影響，目前的納米線探測器性能還不能滿足現(xiàn)實需求。尤其是表面態(tài)在納米線上發(fā)揮著越來越重要的作用，而表面態(tài)參與的載流子輸運機制使得器件響應速度受限。同時光導型納米線探測器背景載流子濃度高，使得本身弱光吸收的電流信號難以提取，探測波段不能用材料本身帶隙來衡量。納米線探測器的發(fā)展需要研究人員付出更大的努力來解決這些難題。課題組對于納米線探測器具有一定的研究基礎。自2014年以來，已經在國際高水平期刊上發(fā)表文章三篇，其中包括一篇ACS Nano（2014，影響因子13.334），一篇Advanced materials（2014，影響因子18.96）以及一篇Nano Letters（2016，影響因子13.779）。
什么是反常光電響應？
常規(guī)半導體接受光輻照時，載流子濃度升高，電導變大；而對表面態(tài)豐富的InAs納米線而言，光電導會減小，這是一種反常現(xiàn)象?？梢越忉尀楸砻鎽B(tài)俘獲了光生電子，致光生空穴留在納米線內部和自由電子復合，從而使自由載流子濃度下降。反常光電導有一個很重要的優(yōu)勢就是以多子為探測基礎，具有很高的負光增益。然而，由于受到表面缺陷的輔助作用，器件響應時間相對比較長（~10 ms）。
可見光輔助的作用是什么？
相對于InAs的帶隙（0.35 eV）而言，可見光屬于高能光子。高能光子使光生電子成為熱電子而被表面俘獲的幾率大幅提高。假如被俘獲的熱電子的釋放過程被阻斷，則表面電子會排斥附近負電荷產生空間正的電荷區(qū)（所謂的Photogating層）。在電極區(qū)域則表現(xiàn)為肖特基勢壘的抬高。由于兩個電極的存在，納米線器件實質則為金屬-半導體-金屬光敏晶體管。背靠背的肖特基勢壘保證了很低的暗電流，小偏壓下反偏處高且厚的肖特基結使得器件對紅外光敏感，從而實現(xiàn)從近紅外到中紅外的寬譜探測，且探測速度快。
由于缺陷態(tài)電子的detrapping是熱輔助過程，本工作采用了降溫的方式來阻斷熱電子釋放過程?；谏鲜鎏岢龅臋C理，成功實現(xiàn)了從830 nm到3113 nm的寬譜探測（此前關于InAs納米線光電探測器的探測波段被限制在1.5微米以內），并且器件響應速度提升至幾十個μs（此前紀錄為幾個ms），探測率高達~1011 Jones。
與此同時，該實驗組在紫外單根CdS納米線探測器研究上也取得了重要進展。研究人員設計了基于側柵結構的單根納米線場效應管，用極化材料PVDF在負向極化模式下降低背景載流子濃度，實現(xiàn)了~105的超高紫外增益，響應率達~105A/W。該文章已被國際知名期刊Advanced Functional Materials（影響因子11.328，第一作者為聯(lián)合培養(yǎng)博士生鄭定山）接收，DOI: 10.1002/adfm.201603152。
Nano Letter論文鏈接：
http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.6b02860
Advanced Functional Materials論文鏈接:
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201603152/abstract
圖：InAs納米線紅外探測原理及紅外光電探測性能
附件下載：
新聞動態(tài)
