Adv. Funct. Mater.報道：鈍化新用途！鐵電聚合物鈍化InSb納米片表面造就高性能紅外光電探測器

【背景介紹】

近十年里，低維III-V化合物半導體納米材料在高速納米級電子學和廣譜檢測中具有優異的物理特性，被廣泛的研究關注。納米線（NWs）、納米片等低維納米結構具有較大的表面與體積比，表面態通過表面附近的固有缺陷態和化學吸附影響光敏感性。有效傳導通道越短，傳輸速度越快。因此，低維納米結構對光和化學分子表現出極大的敏感性。其中，光電探測器在光波通信、成像技術和集成電路中廣泛應用而受到特別的關注。作為一種直接帶隙III-V化合物半導體，InSb具有最小的帶隙和最高的電子遷移率，成為中波長紅外（MWIR）范圍內潛在的檢測器材料。InSb納米結構材料隨著尺寸的減小，會抑制聲子散射，可能有效的克服聲子散射。在具有高表面與體積的低維納米尺度光電檢測器中，光生載流子的壽命延長，載流子通過時間縮短，提高信噪比。因此，研究InSb納米結構光電探測器具有非常重要的意義。

【成果簡介】

近日，中科院上海技術物理研究所王建祿研究員、孟祥建研究員和中科院半導體研究所潘東副研究員（共同通訊作者）等人報道了一種基于高質量InSb納米片（NSs）的紅外（IR）光電探測器，該探測器在可見光（637 nm）到紅外光（4.3 μm）的寬光譜范圍內顯示出清晰的光響應。由于納米結構材料的高體積比，樣品表面的缺陷會影響性能，不利于雙極性InSb光電探測器。因此，作者為了消除樣品表面缺陷對性能的影響，利用鐵電薄膜鈍化樣品表面，并探索了提高靈敏度的機理。在覆蓋保護層后，極大的提高了探測器的性能，該光電探測器的響應度和探測度分別為311.5 A W^-1和9.8 ×10⁹ Jones。對比鈍化前的器件，暗電流降低了兩個數量級，而響應度提高20倍，并且光響應時間從幾秒縮短到幾毫秒。總之，這些具有優異光電性能的InSb NSs對開發下一代納米級光電器件有極大的幫助。研究成果以題為“Highly Sensitive InSb Nanosheets Infrared Photodetector Passivated by Ferroelectric Polymer”發布在國際著名期刊Adv. Funct. Mater.上。

【圖文解讀】

圖一、InSb NSs表征
（a）單個InSb NS的俯視圖和側視圖；

（b）InSb NS的AFM圖像和相應的高度輪廓；

（c）InSb NS的高分辨率TEM圖像；

（d）InSb NS的選擇區域電子衍射圖

圖二、InSb NS FETs的電性能
（a）背柵InSb NSs FET的結構示意圖；

（b）源漏電壓V_ds=0.1 V的InSb NS FET的輸出特性與溫度的關系；

（c）器件通道電阻隨溫度變化的實驗數據和擬合函數的指數函數；

（d）抽真空前后，InSb NS FET的傳遞和輸出特性；

（e）源漏電壓V_ds=0.1 V的InSb NS器件的傳輸特性與溫度的關系；

（f）在77 K的線性坐標下的傳遞特性曲線，表現出雙極性行為。

圖三、InSb NS IR光電探測器的光電測量和能帶圖
（a）在黑暗中和不同入射光功率下，V_ds-I_ds曲線；

（b）InSb光電探測器的響應度和探測率；

（c）在4.3 μm激光照射下，在V_ds=0.1 V下測量InSb NS IR光電探測器的光響應特性；

（d）在V_ds=100 mV時，637、940和1550 nm光的時間分辨光響應V_bg分別為0 V，42 V，50 V；

（e）當設備處于p-區域和n-區域時的能帶圖。

圖四、P(VDF-TrFE)鈍化InSb NS光電探測器的電性能
（a）設備的光學和示意圖；

（b）P(VDF-TrFE)鈍化的InSb NS光電探測器的能帶圖；

（c）在有無P(VDF-TrFE)鈍化下，InSb NS光電探測器的傳輸特性；

（d）在77 K下有無鈍化時，InSb NS光電探測器的V_ds-I_ds曲線。

圖五、鈍化InSb NS IR光電探測器的光響應特性
（a）在V_ds=100 mV和V_g=0 V時，對637、830、940和1310 nm光的時間分辨光響應；

（b）在黑暗中和不同入射光功率下，鈍化的InSb NS光電探測器的V_ds-I_ds曲線；

（c）鈍化的InSb NS IR光電探測器的響應度和檢測率；

（d）光電流的上升和衰減時間分別測量為2.27 ms和2.03 ms。

【小結】

綜上所述，作者利用高質量的InSb NSs制備紅外探測器，其具有較寬的光譜探測范圍。同時，該光電探測器還具有良好的光導電性能。為進一步提高探測器的光敏性，作者利用鐵電聚合物P(VDF-TrFE)對InSb NSs表面進行鈍化處理，得到了高靈敏度的紅外光探測器。因此，暗電流被強烈抑制到4 nA，響應時間從秒減少到毫秒，提高了三個數量級。總之，該研究證明了InSb NSs具有優異的光電特性，在下一代電子和光電子學中具有廣闊的應用前景。

文獻鏈接：Highly Sensitive InSb Nanosheets Infrared Photodetector Passivated by Ferroelectric Polymer（Adv. Funct. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adfm.202006156）

本文由CQR編譯。

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