近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)微電子學(xué)院龍世兵教授、孫海定研究員團(tuán)隊(duì)在氮化鎵（GaN）半導(dǎo)體 p-n 異質(zhì)結(jié)中實(shí)現(xiàn)了獨(dú)特的光電流極性反轉(zhuǎn)（即雙向光電流現(xiàn)象）。
中國(guó)科大消息顯示，過去兩年多來(lái)，團(tuán)隊(duì)利用分子束外延（MBE）技術(shù)所制備的高晶體質(zhì)量氮化鎵（GaN）納米線，構(gòu)建了應(yīng)用于日盲紫外光探測(cè)領(lǐng)域的光電化學(xué)光探測(cè)器。更進(jìn)一步，詳細(xì)討論了 GaN 基 p-n 結(jié)納米線內(nèi)部的電荷轉(zhuǎn)移動(dòng)力學(xué)，并通過在半導(dǎo)體納米線表面修飾貴金屬納米顆粒，實(shí)現(xiàn)了電荷轉(zhuǎn)移動(dòng)力學(xué)的可控調(diào)制及高效紫外光探測(cè)。
據(jù)悉，基于前期的工作積累，研究人員從 GaN 基半導(dǎo)體 p-n 異質(zhì)結(jié)能帶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，MBE 外延工藝探索及納米線形貌調(diào)控出發(fā)，結(jié)合 DFT 第一性原理理論計(jì)算優(yōu)化及半導(dǎo)體表面金屬鉑（Pt）納米顆粒定向修飾，成功構(gòu)建了基于 p-AlGaN/n-GaN 異質(zhì) p-n 結(jié)的光譜可分辨型光電探測(cè)器 [Nature Electronics 2021, 4, 645–652]。
在固定偏壓下，該器件在兩種不同波長(zhǎng)光的照射下展現(xiàn)出獨(dú)特的光電流極性反轉(zhuǎn)現(xiàn)象：在 254nm 光照下光電流為負(fù)電流，而在 365nm 光照下光電流為正電流。具體來(lái)說，為實(shí)現(xiàn)光電流極性反轉(zhuǎn)，特殊設(shè)計(jì)的頂部 p-AlGaN 被用于與底部 n-GaN 共同吸收波長(zhǎng) 254 nm 的光。在 254nm 光照射下，p-AlGaN 和 n-GaN 中同時(shí)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。其中，p-AlGaN 在電解質(zhì)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(qū)動(dòng)質(zhì)子還原反應(yīng)，而光生空穴則向 p-n 結(jié)中的空間電荷區(qū)域遷移，與 n-GaN 產(chǎn)生的光生電子隧穿復(fù)合。與此同時(shí)，n-GaN 中的光生空穴流經(jīng)外電路，表現(xiàn)出負(fù)的光電流信號(hào)。
而當(dāng)納米線暴露在 365nm 光下時(shí)，因 p-AlGaN 不吸收 365nm 光照，僅有 n-GaN 吸收 365nm 光照后產(chǎn)生光生電子-空穴對(duì)。而后，由 n-GaN 在電解質(zhì)溶液中呈現(xiàn)的向上表面能帶彎曲作為驅(qū)動(dòng)力，促使 n-GaN 中的光生空穴漂移到納米線/溶液界面并進(jìn)行水氧化反應(yīng)。同時(shí)，在表面能帶彎曲和 p-n 結(jié)內(nèi)建電場(chǎng)共同作用下，電子向外電路漂移，被記錄為正的光電流。更進(jìn)一步，理論計(jì)算證實(shí)：通過在半導(dǎo)體 p-AlGaN 表面修飾貴金屬 Pt 納米顆?？梢杂行Ц纳茪湮阶杂赡懿⑻岣吖怆娀瘜W(xué)光探測(cè)過程中的光生載流子分離效率。
據(jù)此，研究人員利用光化學(xué)還原法，成功在納米線 p-AlGaN（000-1）晶面定向修飾 Pt 納米顆粒。最終，在固定偏壓下，研究人員成功觀察到在不同波長(zhǎng)光照下 GaN 基 pn 結(jié)納米線中的光電流極性反轉(zhuǎn)現(xiàn)象。
據(jù)介紹，該新型器件架構(gòu)不僅克服了傳統(tǒng)固態(tài) p-n 結(jié)光電探測(cè)器的功能限制，通過改變半導(dǎo)體材料本身帶隙（如組分調(diào)控等手段），還可以實(shí)現(xiàn)從深紫外到近紅外全光譜響應(yīng)覆蓋，有望為便攜式光譜儀、液體環(huán)境（如水下，生物體內(nèi)）光電探測(cè)和傳感、高分辨率多通道光電傳感器/成像設(shè)備、光控邏輯電路等未來(lái)新學(xué)科交叉領(lǐng)域帶來(lái)新的應(yīng)用突破。
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