来历：中国科学技能年夜学
中国科学技能年夜学微电子学院龙世兵传授、孙海定研究员团队于氮化镓（GaN）半导体p-n异质结中实现了怪异的光电流极性反转（即双向光电流征象）。相干结果以“Bidirectional photocurrent in p–n heterojunction nanowires”为题在9月23日发表于《天然•电子学》上（Nature Electronics 2021, 4, 645–652）。这是中国科年夜初次以第一作者单元于电子器件范畴知名期刊 Nature Electronics上发表研究论文。
半导体p-n结具备怪异的整流特征，是浩繁电子元器件的基本组成单位，基在此所构建的传统固态光电探测器(solid-state photodetector)可将光旌旗灯号捕捉并转换为输出电旌旗灯号，被广泛运用在成像、传感、探测等范畴。然而，该类器件受限在传统p-n结的事情机理，其事情特性须遵循如下原则：(1)入射光子能量年夜在半导体的带隙；(2)于固定偏压下，孕育发生的光电流朝固定标的目的单向流动（单向光电流），这年夜年夜限定了其于非凡运用场景（例如高分辩多色成像、生物光电检测、便携式小型光谱仪、多通道光通讯及光逻辑运算等）中的运用。
最近几年来，离开在经典固态光电探测器的光电化学光探测器 (photoelectrochemical photodetector: PEC PD) 引起了人们的稠密兴致，其事情历程不仅包罗传统半导体物理中载流子的孕育发生、分散和传输历程，还有触及电子及空穴于半导体外貌/电解液界面处的氧化/还有原反映历程。主要的是，于光电探测及传感历程中，经由过程将化学反映历程与经典半导体物理历程订交叉，为操控载流子输运历程，实现半导体器件中的电流旌旗灯号多维度调控提供了新的自由度。是以，已往两年多来，团队使用份子束外延（MBE）技能所制备的高晶体质量氮化镓（GaN）纳米线，构建了运用在日盲紫外光探测范畴的光电化学光探测器[Nano Letters 2021, 21, 120-129; Advanced Optical Materials 2021, 9, 2000893]。更进一步，具体会商了GaN基p-n结纳米线内部的电荷转挪动力学，并经由过程于半导体纳米线外貌润色贵金属纳米颗粒，实现了电荷转挪动力学的可控调制和高效紫外光探测 [Advanced Functional Materials 2021, 31, 2103007]。
图1. 器件事情道理示用意
基在前期的事情堆集，研究职员从GaN基半导体p-n异质结能带布局设计，MBE外延工艺摸索和纳米线描摹调控出发，联合DFT第一性道理理论计较优化和半导体外貌金属铂（Pt）纳米颗粒定向润色，乐成构建了基在p-AlGaN/n-GaN异质p-n结的光谱可分辩型光电探测器 [Nature Electronics 2021, 4, 645–652]。图1为器件的事情道理示用意。于固定偏压下，该器件于两种差别波长光的照射下揭示出怪异的光电流极性反转征象：于254nm光照下光电流为负电流，而于365nm光照下光电流为正电流。详细来讲，为实现光电流极性反转，非凡设计的顶部p-AlGaN被用在与底部n-GaN配合接收波长254 nm的光（图1b）。于254nm光照射下，p-AlGaN及n-GaN中同时孕育发生电子-空穴对于（图1a）。此中，p-AlGaN于电解质YABO鸭脖官网溶液中向下的外貌能带弯曲有益在此中的光生电子向纳米线外貌漂移，驱动质子还有原反映，而光生空穴则向p-n结中的空间电荷区域迁徙，与n-GaN孕育发生的光生电子隧穿复合。
与此同时，n-GaN中的光生空穴流经外电路，体现出负的光电流旌旗灯号。而当纳米线袒露于365nm光下时，因p-AlGaN不接收365nm光照，仅有n-GaN接收365nm光照后孕育发生光生电子-空穴对于。尔后，由n-GaN于电解质溶液中出现的向上外貌能带弯曲作为驱动力，促使n-GaN中的光生空穴漂移到纳米线/溶液界面并举行水氧化反映。同时，于外貌能带弯曲及p-n结内建电场配合作用下，电子向外电路漂移，被记载为正的光电流。
更进一步，理论计较证明：经由过程于半导体p-AlGaN外貌润色贵金属Pt纳米颗粒可以有用改善氢吸附自由能并提高光电化学光探测历程中的光生载流子分散效率。据此，研究职员使用光化学还有原法，乐成于纳米线p-AlGaN（000-1）晶面定向润色Pt纳米颗粒（图2b-d）。终极，于固定偏压下，研究职员乐成不雅察到于差别波长光照下GaN基pn结纳米线中的光电流极性反转征象（图2a）。
图2. 器件于差别波长光照下的光相应机能（a）和Pt纳米颗粒润色p-n异质结纳米线描摹表征（b,c,d）
该新型器件架构不仅降服了传统固态p-n结光电探测器的功效限定，经由过程转变半导体质料自己带隙（如组分调控等手腕），还有可以实现从深紫外到近红外全光谱相应笼罩，有望为便携式光谱仪、液体情况（如水下，生物体内）光电探测及传感、高分辩率多通道光电传感器/成像装备、光控逻辑电路等将来新学科交织范畴带来新的运用冲破。
中国科学技能年夜学微电子学院孙海定研究员为论文通信作者，微电子学院博士生汪丹浩为论文第一作者，合肥微标准物资科学国度研究中央胡伟研究员，美国密歇根年夜学Mi Zetian传授，Australia国立年夜学傅岚传授（中国科年夜微电子学院客座传授）介入了项目的结合攻关。此项研究事情获得了国度天然科学基金项目、中科年夜双一流设置装备摆设经费、中心高校基本科研基金等专项经费的资助，也获得了中国科年夜微电子学院、中国科年夜微纳研究与制造中央、中国科年夜信息科学试验中央、国度同步辐射试验室及中科院无线光电通讯重点试验室的撑持。
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