Nano Lett. 基于砷化銦納米線的高效中紅外光電探測器

【引言】

近幾年來，一維砷化銦納米線（InAs NW）受到廣泛研究。由于遷移率高、帶隙窄，一維砷化銦納米線在光電應用領域表現出極大的潛力。然而，目前對InAs NW的報道大部分局限在可見光波段。砷化銦納米線對近紅外光的特定響應雖然有所報道，但是暗電流大，光開關電流比小等問題并沒有得到解決，因此，極大地限制了其光電探測能力。

【成果簡介】

中國科學院上海技術物理研究所、中國科學技術大學以及中國科學院大學的胡偉達和陳效雙（通訊作者）等研究人員利用分子束外延技術（MBE）合成了InAs NW，并將其轉移至Si/SiO2基底上，成功制備了源/漏電極（S/D）。胡、陳等首次提出可見光協助降低暗電流的方法。該方法有效降低了InAs NW光電探測器的暗電流，提高了其紅外探測能力，將器件變為金屬-半導體-金屬（MSM）光電二極管，實現了小于1μm，大于3μm的寬波段探測，幾十微秒的快速響應以及約為10^12 Jones的高探測率。

【圖文導讀】

圖1：InAs NW MSM光電二極管的形成示意圖及在77K下的工作原理

a）450nm激光照射下光柵層誘導的負響應過程；

b）停止光照后PGL中的表層捕獲電子形成的空間電荷區；

c）金屬-半導體接觸能帶示意圖及450nm光照前后的勢壘高度對比；

d）低偏置電壓下紅外探測的工作原理；

圖2：77K下450nm光照前后的器件性能對比（本實驗采用的2000nm激光的功率密度大約均為1.7 mW/mm2）

a）協助光照前在無光照和2000nm光照下的Ids?Vds線性特征圖；

b）協助光照后在無光照和2000nm光照下的Ids?Vds對數特征圖；

c）Vds = 0.1 V時，在0.5 Hz-chopped 2000 nm激光照射下MSM 光電二極管的光響應性能；

d）Vds = 0.1 V時，450nm的光照前后在2000nm激光照射下的響應率和探測率對比；

圖3：探測機理示意圖

a）460K下對光的負響應；

b）360K和 460K下電子釋放過程的對比；曲線擬合所用數據均取自光照停止后100s內的電流數據；

c）背柵掃壓對表層捕獲電子的影響；

d）在450nm協助光的調整下重新形成了高Schottky勢壘；

e）在無光照（450nm光照后）和450nm光照下的Ids?Vds對數特征圖；

f）MSM光電二極管在Vds分別為1.5和2.0V時，450nm光照調整后的光響應性能；

g）InAs NW MSM光電二極管的光電流示意圖；

h）示波器記錄繪制光電流示意圖的過程中記錄的光電流（黑線）；紅線和綠線為高斯擬合的光電流分布，藍線為擬合光電流的總和；時間軸可視為沿NW的距離；

圖4：InAs NW MSM光電二極管的光探測性能

a)依賴功率密度的凈光電流（Vds =0.1 V ， λ = 2000 nm）；

b）響應率及凈光電流對入射功率密度曲線；

c）對 λ = 2000 nm的光響應的高時間分辨率測試；

d）功率密度為0.7 mW/mm2，在不同波長光照下的Ids?Vds對數特征圖；

e）依賴于波長的響應率和探測率；

f）本文及以前報道的探測波段及響應時間；

【小結】

本文報道了可見光協助的InAs NW MSM光電二極管，成功將InAs NW 光電探測器的探測波段從可見、近紅外擴展至中紅外。該器件表現出優異的紅外探測性能，展示出在紅外光電探測領域的極大潛力。

文獻鏈接：Visible Light-Assisted High-Performance Mid-Infrared Photodetectors Based on Single InAs Nanowire（Nano Lett.，2016，DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b02860）

本文由材料人電子電工學習小組以亦提供，材料牛編輯整理。

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