中国科大在氮化镓半导体p-n异质结中实现独特的光电流极性反转

最近几天，中国科学技术大学微电子学院龙世兵教授和孙海丁研究员在GaN半导体的p—n异质结中实现了一种独特的光电流极性反转。

据中国科学技术大学消息，近两年来，该团队利用分子束外延技术制备的高晶体质量氮化镓纳米线，构建了用于太阳盲紫外探测的光电化学光电探测器此外，详细讨论了氮化镓基pn结纳米线的电荷转移动力学通过在半导体纳米线表面修饰贵金属纳米粒子，实现电荷转移动力学的可控调制和高效紫外探测

根据消息显示，研究人员在前期工作积累的基础上，从GaN基半导体p—n异质结的能带结构设计，MBE外延工艺探索和纳米线形貌控制入手，结合DFT第一性原理理论计算优化和金属铂纳米粒子在半导体表面的定向修饰，成功构建了基于p—AlGaN/n—GaN异质结的光谱分辨光电探测器。

在固定的偏置电压下，器件在两种不同波长的光照下呈现独特的光电流极性反转现象光电流在254nm光照下为负电流，而光电流在365nm光照下为正电流特别地，为了实现光电流的极性反转，特别设计的顶部p—AlGaN与底部n—GaN一起用于吸收波长为254 nm的光在254nm光的照射下，p—AlGaN和n—GaN中同时产生电子—空穴对其中，p—AlGaN在电解质溶液中向下的表面能带弯曲有利于光生电子向纳米线表面漂移，驱动质子还原反应，而光生空穴则迁移到p—n结和隧道中的空间电荷区，与n—GaN产生的光生电子复合同时，n—GaN中的光生空穴流经外部电路，呈现负光电流信号

而当纳米线暴露在365nm光下时，由于p—AlGaN不吸收365nm光，只有n—GaN吸收365nm光并产生光生电子空穴对然后，在电解质溶液中n—GaN向上表面能带弯曲的驱动下，n—GaN中光生空穴漂移到纳米线/溶液界面，发生水氧化反应同时，在表面能带弯曲和p—n结内置电场的共同作用下，电子向外电路漂移，被记录为正光电流此外，理论计算证明，通过在半导体p—AlGaN表面修饰贵金属Pt纳米粒子，可以有效提高光电化学光电探测中氢吸附自由能，提高光生载流子分离效率

因此，研究人员通过光化学还原成功地在纳米线的p—AlGaN晶面上修饰了Pt纳米粒子最后，在固定的偏置电压下，研究人员成功观察到GaN基pn结纳米线在不同波长光照下的光电流极性反转现象

据介绍，新的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，还可以通过改变半导体材料的带隙，实现从深紫外到近红外的全光谱响应覆盖，有望为便携式光谱仪，液体环境中的光电探测与传感，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兴交叉领域带来新的应用突破。