中国科大在半导体p-n异质结中实现光电流极性反转

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p-n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）。相关成果以“Bidirectional photocurrent in p–n heterojunction nanowires”为题于9月23日发表在《自然•电子学》上（Nature Electronics 2021, 4, 645–652）。这是中国科大首次以第一作者单位在电子器件领域知名期刊Nature Electronics上发表研究论文。

半导体p-n结具有独特的整流特性，是众多电子元器件的基本构成单元，基于此所构建的传统固态光电探测器(solid-state photodetector)可将光信号捕获并转换为输出电信号，被广泛应用于成像、传感、探测等领域。然而，该类器件受限于传统p-n结的工作机理，其工作特征须遵照以下原则：(1)入射光子能量大于半导体的带隙；(2)在固定偏压下，产生的光电流朝固定方向单向流动（单向光电流），这大大限制了其在特殊应用场景（例如高分辨多色成像、生物光电检测、便携式小型光谱仪、多通道光通信和光逻辑运算等）中的应用。

近年来，脱离于经典固态光电探测器的光电化学光探测器(photoelectrochemical photodetector: PEC PD)引起了人们的浓厚兴趣，其工作过程不仅包含传统半导体物理中载流子的产生、分离及传输过程，还涉及电子和空穴在半导体表面/电解液界面处的氧化/还原反应过程。重要的是，在光电探测和传感过程中，通过将化学反应过程与经典半导体物理过程相交叉，为操控载流子输运过程，实现半导体器件中的电流信号多维度调控提供了新的自由度。因此，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[Nano Letters 2021, 21, 120-129; Advanced Optical Materials 2021, 9, 2000893]。更进一步，详细讨论了GaN基p-n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[Advanced Functional Materials 2021, 31, 2103007]。

图1.器件工作原理示意图

基于前期的工作积累，研究人员从GaN基半导体p-n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p-AlGaN/n-GaN异质p-n结的光谱可分辨型光电探测器[Nature Electronics 2021, 4, 645–652]。图1为器件的工作原理示意图。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p-AlGaN被用于与底部n-GaN共同吸收波长254 nm的光（图1b）。在254nm光照射下，p-AlGaN和n-GaN中同时产生电子-空穴对（图1a）。其中，p-AlGaN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p-n结中的空间电荷区域迁移，与n-GaN产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，表现出负的光电流信号。而当纳米线暴露在365nm光下时，因p-AlGaN不吸收365nm光照，仅有n-GaN吸收365nm光照后产生光生电子-空穴对。而后，由n-GaN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n-GaN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p-n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p-AlGaN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p-AlGaN（000-1）晶面定向修饰Pt纳米颗粒（图2b-d）。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（图2a）。

图2.器件在不同波长光照下的光响应性能（a）及Pt纳米颗粒修饰p-n异质结纳米线形貌表征（b,c,d）

该新型器件架构不仅克服了传统固态p-n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。

中国科学技术大学微电子学院孙海定研究员为论文通讯作者，微电子学院博士生汪丹浩为论文第一作者，合肥微尺度物质科学国家研究中心胡伟研究员，美国密歇根大学Mi Zetian教授，澳大利亚国立大学傅岚教授（中国科大微电子学院客座教授）参与了项目的联合攻关。此项研究工作得到了国家自然科学基金项目、中科大双一流建设经费、中央高校基本科研基金等专项经费的资助，也得到了中国科大微电子学院、中国科大微纳研究与制造中心、中国科大信息科学实验中心、国家同步辐射实验室和中科院无线光电通信重点实验室的支持。

Nature Electronics论文链接：https://doi.org/10.1038/s41928-021-00640-7

Nano Letters论文链接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.0c03357

Advanced Functional Materials论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202103007

Advanced Optical Materials论文链接：https://doi.org/10.1002/adom.202000893

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