科学家们用光控制光电流的方向

USTC 团队展示了如何通过使用不同波长的光来切换 p-n 异质结器件中的光电流方向

半导体 p-n 结具有独特的整流特性，是形成众多电子元件的基本构件。所有基于 p-n 结的器件都遵循单向电流的基本半导体物理学。但是，这会限制它们的功能。

结合光电效应，p-n 结已被用于构建用于光子系统的经典固态光电探测器。然而，它们的探测能力受限于一定的光谱范围，因为它们总是产生相同方向的光电流。

受早期关于新型 p-n 结器件架构的启发，将功能扩展到单个 p-n 结之外，中国科技大学的Haiding Sun和他的同事们展示了一种新型光电探测器。

他们在《自然电子学》（ Nature Electronics ）上发表的研究表明，可以通过使用不同波长的光来切换 p-n 异质结器件中的光电流方向，换句话说，可以创建双极性光响应，用于多波段或光谱独特/选择性光探测。

当用波长等于或短于材料光学带隙的光照射时，传统的基于 p-n 结的光电探测器通常显示单极光电流响应。为了克服这一限制，该团队在导电硅衬底上构建了基于p-AlGaN/n-GaN纳米线p-n异质结的光检测电化学电池，在不同的光照波长下（例如，在本演示工作中为254 nm或365 nm，如上图1所示），电池表现出不同极性的光响应。

他们观察到器件在两种不同波长照射后的双向光电流行为，在纳米线/电解质界面上触发相反的氧化还原反应（析氢反应（HER）和析氧反应（OER）），从而导致光电流的极性反转。这使得通过简单地验证光电流的极性及其大小（参见下面的图 2），可以快速轻松地区分不同的光谱带。

图 2：(a) 在254 nm 和 365 nm 光照射下，有铂装饰和没有铂装饰的纳米线的光电流密度，显示了不同光照射下光电流方向的切换。 (b) 我们的 p-n 异质结纳米线的透射电子显微图像。

换句话说，这种新构建的光检测电化学电池在物理过程（单个 p-n 结中的光电转换和载流子传输）和化学过程（纳米线表面的氧化还原反应）的组合下运行。这可以通过简单地验证光电流的极性来快速轻松地区分不同的光谱带，它提供了一个新的自由度来控制载流子传输，从而控制半导体器件中的电流。

这种双向光电流行为可用于可切换光成像和光通信等应用，以及无滤色器颜色辨别，特别是在水下或生物相关领域，因为我们的器件可以直接在水性条件下实现，而无需复杂的封装。

参考文献

'Bidirectional photocurrent in p-n heterojunction nanowires' by Danhao Wang, Haiding Sun et al; Nature Electronics, 4(9) (2021)

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