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微电子学院硕士研究生郭亚楠、赵帅在抑制场效应光电探测器暗电流方面取得新进展

发布日期:2021-03-25点击:

半导体纳米线由于具有大的比表面积、丰富的表面态、高的光吸收效率和独特的电子输运特性,被广泛应用于高性能光电探测器件中(郭亚楠等,红外与激光工程(特邀综述),2021, 50, 20211010-1)。纳米线场效应管(FET)因其有望实现全环栅结构延续摩尔定律而在未来光电子器件中具有巨大的潜力。目前,大多数工作致力于提高纳米线FET的电学性质,仅有较少的研究关注其双极性性能。在当前的双极性纳米线中,最常用的是核壳结构。在III-V族半导体纳米线中,其天然存在的表面氧化层可以轻易形成核壳结构,实现双极性传输。

微电子学院2018级硕士研究生郭亚楠与团队研究人员通过Ni金属催化化学气相沉积方法,可控生长了InGaAs纳米线。当被应用于纳米线FET时,呈现出了双极性导电行为。InGaAs纳米线天然氧化层形成的受主型界面缺陷态,导致了纳米线中核内电子导电沟道和壳内空穴导电沟道的存在。该推论得到了实验结果的证实,在大气环境中氧化210天后,双极性变得更加明显。制备的纳米线FET在正负栅压下对850 nm1310 nm的红外光均有明显的响应。该研究工作以“Ambipolar transport in Ni-catalyzed InGaAs nanowires field-effect-transistors for near-infrared photodetection”为题于20201210接收发表于Nanotechnology2020, 32, 145203)。

另外,基于核壳结构纳米线制备光电探测器将有效抑制暗电流、提高光电探测性能和稳定性。例如,由于天然氧化层外壳的存在,InAs纳米线中发现了负光电导效应,并被利用来降低光电探测器件的暗电流和提高光响应(Nano Lett. 2016, 16, 6416)有效调控核壳结构纳米线中的壳的厚度并建立起与光电探测性能的联系将有助于阐明负光电导效应抑制暗电流的机理理论,并进一步指导实现高性能纳米线光电探测器件。

微电子学院2018级硕士研究生赵帅与团队研究人员通过简单的化学气相沉积方法实现了GeS核壳结构纳米线。通过优化实验参数调控了核壳纳米线的直径、长度及壳厚度。当被应用于纳米线光电场效应器件时,表现出显著的负光电导效应。制备的器件对微弱光表现出高的响应度和探测率,例如,对0.04 mW/cm2405 nm可见光实现了5.36×105 A/W的响应度和1.45×1012 Jones的探测率。值得注意的是,不同厚度富硫外壳由于空穴陷阱态不同,负光电导效应也不同。可见,在利用核壳纳米线实现高性能光电器件时,需要谨慎设计纳米线的壳厚度。该工作以In-Situ Growth of GeS Nanowires with Sulfur-Rich Shell for Featured Negative Photoconductivity为题于20210316日在线发表于The Journal of Physical Chemistry Letters (2021, 12, 3046)

研究得到了国家重点研发计划(2017YFA0305500)、国家自然科学基金(61904096)、山东省泰山学者(tsqn201812006)、山东大学青年交叉科学创新群体项目及山东大学杰出青年学者项目的支持。

 

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