中科院上海技物所在纳米线红外探测器研究中取得进展

近日，中国科学院上海技术物理研究所红外物理国家重点实验室研究员胡伟达、陈效双、陆卫课题组在新型纳米线红外光电探测器研究中取得进展。该实验室相关研究人员在已有的窄禁带InAs纳米线反常光电响应研究基础上，进一步利用该反常效应提出基于可见光诱导Photogating辅助的单根纳米线红外响应机理，并成功制备单根纳米线场效应晶体管实现宽谱快速红外探测。相关成果以Visible Light-Assisted High-Performance Mid-Infrared Photodetectors Based on Single InAs Nanowire 为题发表于国际刊物《纳米快报》（Nano Letters, DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b02860），论文第一作者为博士研究生方河海。

区别于常规的三维体材料半导体和半导体薄膜，半导体纳米线因其维度受限而展现出优异的光电特性，比如超高内禀光电增益、多阵列限光效应以及亚波长尺寸效应等。此外，单根纳米线因其极小的探测面积在未来小型化、高度集成化器件研发中有着良好的应用前景。然而受诸多因素影响，目前的纳米线探测器性能还不能满足现实需求。尤其是表面态在纳米线上发挥着越来越重要的作用，而表面态参与的载流子输运机制使得器件响应速度受限。同时光导型纳米线探测器背景载流子浓度高，使得本身弱光吸收的电流信号难以提取，探测波段不能用材料本身带隙来衡量。纳米线探测器的发展需要研究人员付出更大的努力来解决这些难题。课题组对于纳米线探测器具有一定的研究基础。自2014年以来，已分别在ACS Nano（2014）、Advanced materials（2014）以及Nano Letters（2016）上发表三篇文章。

常规半导体接受光辐照时，载流子浓度升高，电导变大；而对表面态丰富的InAs纳米线而言，光电导会减小，这是一种反常现象。可以解释为表面态俘获了光生电子，致光生空穴留在纳米线内部和自由电子复合，从而使自由载流子浓度下降。反常光电导有一个很重要的优势就是以多子为探测基础，具有很高的负光增益。然而，由于受到表面缺陷的辅助作用，器件响应时间相对比较长（~10 ms）。

相对于InAs的带隙（0.35 eV）而言，可见光属于高能光子。高能光子使光生电子成为热电子而被表面俘获的几率大幅提高。假如被俘获的热电子的释放过程被阻断，则表面电子会排斥附近负电荷产生空间正的电荷区（所谓的Photogating层）。在电极区域则表现为肖特基势垒的抬高。由于两个电极的存在，纳米线器件实质则为金属-半导体-金属光敏晶体管。背靠背的肖特基势垒保证了很低的暗电流，小偏压下反偏处高且厚的肖特基结使得器件对红外光敏感，从而实现从近红外到中红外的宽谱探测，且探测速度快。

由于缺陷态电子的detrapping是热辅助过程，本工作采用了降温的方式来阻断热电子释放过程。基于上述提出的机理，成功实现了从830 nm到3113 nm的宽谱探测（此前关于InAs纳米线光电探测器的探测波段被限制在1.5微米以内），并且器件响应速度提升至几十个μs（此前纪录为几个ms），探测率高达~1011 Jones。

与此同时，该实验组在紫外单根CdS纳米线探测器研究中也取得新进展。研究人员设计了基于侧栅结构的单根纳米线场效应管，用极化材料PVDF在负向极化模式下降低背景载流子浓度，实现了~105的超高紫外增益，响应率达~105A/W。该文章已被国际期刊《先进功能材料》（Advanced Functional Materials，DOI: 10.1002/adfm.201603152）接收，第一作者为博士生郑定山。

图：InAs纳米线红外探测原理及红外光电探测性能