中国科大在氮化镓半导体pn异质结中实现独特的光电流极性反转

　　近日，中国科学技术大学微电子学院龙世兵教授、孙海定研究员团队在氮化镓（GaN）半导体pn异质结中实现了独特的光电流极性反转（即双向光电流现象）。
　　中国科大消息显示，过去两年多来，团队利用分子束外延（MBE）技术所制备的高晶体质量氮化镓（GaN）纳米线，构建了应用于日盲紫外光探测领域的光电化学光探测器。更进一步，详细讨论了GaN基pn结纳米线内部的电荷转移动力学，并通过在半导体纳米线表面修饰贵金属纳米颗粒，实现了电荷转移动力学的可控调制及高效紫外光探测。
　　据悉，基于前期的工作积累，研究人员从GaN基半导体pn异质结能带结构设计，MBE外延工艺探索及纳米线形貌调控出发，结合DFT第一性原理理论计算优化及半导体表面金属铂（Pt）纳米颗粒定向修饰，成功构建了基于pAlGaNnGaN异质pn结的光谱可分辨型光电探测器〔NatureElectronics2021，4，645652〕。
　　在固定偏压下，该器件在两种不同波长光的照射下展现出独特的光电流极性反转现象：在254nm光照下光电流为负电流，而在365nm光照下光电流为正电流。具体来说，为实现光电流极性反转，特殊设计的顶部pAlGaN被用于与底部nGaN共同吸收波长254nm的光。在254nm光照射下，pAlGaN和nGaN中同时产生电子空穴对。其中，pAlGaN在电解质溶液中向下的表面能带弯曲有利于其中的光生电子向纳米线表面漂移，驱动质子还原反应，而光生空穴则向pn结中的空间电荷区域迁移，与nGaN产生的光生电子隧穿复合。与此同时，nGaN中的光生空穴流经外电路，表现出负的光电流信号。
　　而当纳米线暴露在365nm光下时，因pAlGaN不吸收365nm光照，仅有nGaN吸收365nm光照后产生光生电子空穴对。而后，由nGaN在电解质溶液中呈现的向上表面能带弯曲作为驱动力，促使nGaN中的光生空穴漂移到纳米线溶液界面并进行水氧化反应。同时，在表面能带弯曲和pn结内建电场共同作用下，电子向外电路漂移，被记录为正的光电流。更进一步，理论计算证实：通过在半导体pAlGaN表面修饰贵金属Pt纳米颗粒可以有效改善氢吸附自由能并提高光电化学光探测过程中的光生载流子分离效率。
　　据此，研究人员利用光化学还原法，成功在纳米线pAlGaN（0001）晶面定向修饰Pt纳米颗粒。最终，在固定偏压下，研究人员成功观察到在不同波长光照下GaN基pn结纳米线中的光电流极性反转现象。
　　据介绍，该新型器件架构不仅克服了传统固态pn结光电探测器的功能限制，通过改变半导体材料本身带隙（如组分调控等手段），还可以实现从深紫外到近红外全光谱响应覆盖，有望为便携式光谱仪、液体环境（如水下，生物体内）光电探测和传感、高分辨率多通道光电传感器成像设备、光控逻辑电路等未来新学科交叉领域带来新的应用突破。