Adv. Funct. Mater.报道：钝化新用途！铁电聚合物钝化InSb纳米片表面造就高性能红外光电探测器

【背景介绍】

近十年里，低维III-V化合物半导体纳米材料在高速纳米级电子学和广谱检测中具有优异的物理特性，被广泛的研究关注。纳米线（NWs）、纳米片等低维纳米结构具有较大的表面与体积比，表面态通过表面附近的固有缺陷态和化学吸附影响光敏感性。有效传导通道越短，传输速度越快。因此，低维纳米结构对光和化学分子表现出极大的敏感性。其中，光电探测器在光波通信、成像技术和集成电路中广泛应用而受到特别的关注。作为一种直接带隙III-V化合物半导体，InSb具有最小的带隙和最高的电子迁移率，成为中波长红外（MWIR）范围内潜在的检测器材料。InSb纳米结构材料随着尺寸的减小，会抑制声子散射，可能有效的克服声子散射。在具有高表面与体积的低维纳米尺度光电检测器中，光生载流子的寿命延长，载流子通过时间缩短，提高信噪比。因此，研究InSb纳米结构光电探测器具有非常重要的意义。

【成果简介】

近日，中科院上海技术物理研究所王建禄研究员、孟祥建研究员和中科院半导体研究所潘东副研究员（共同通讯作者）等人报道了一种基于高质量InSb纳米片（NSs）的红外（IR）光电探测器，该探测器在可见光（637 nm）到红外光（4.3 µm）的宽光谱范围内显示出清晰的光响应。由于纳米结构材料的高体积比，样品表面的缺陷会影响性能，不利于双极性InSb光电探测器。因此，作者为了消除样品表面缺陷对性能的影响，利用铁电薄膜钝化样品表面，并探索了提高灵敏度的机理。在覆盖保护层后，极大的提高了探测器的性能，该光电探测器的响应度和探测度分别为311.5 A W^-1和9.8 ×10⁹ Jones。对比钝化前的器件，暗电流降低了两个数量级，而响应度提高20倍，并且光响应时间从几秒缩短到几毫秒。总之，这些具有优异光电性能的InSb NSs对开发下一代纳米级光电器件有极大的帮助。研究成果以题为“Highly Sensitive InSb Nanosheets Infrared Photodetector Passivated by Ferroelectric Polymer”发布在国际著名期刊Adv. Funct. Mater.上。

【图文解读】

图一、InSb NSs表征
（a）单个InSb NS的俯视图和侧视图；

（b）InSb NS的AFM图像和相应的高度轮廓；

（c）InSb NS的高分辨率TEM图像；

（d）InSb NS的选择区域电子衍射图

图二、InSb NS FETs的电性能
（a）背栅InSb NSs FET的结构示意图；

（b）源漏电压V_ds=0.1 V的InSb NS FET的输出特性与温度的关系；

（c）器件通道电阻随温度变化的实验数据和拟合函数的指数函数；

（d）抽真空前后，InSb NS FET的传递和输出特性；

（e）源漏电压V_ds=0.1 V的InSb NS器件的传输特性与温度的关系；

（f）在77 K的线性坐标下的传递特性曲线，表现出双极性行为。

图三、InSb NS IR光电探测器的光电测量和能带图
（a）在黑暗中和不同入射光功率下，V_ds-I_ds曲线；

（b）InSb光电探测器的响应度和探测率；

（c）在4.3 μm激光照射下，在V_ds=0.1 V下测量InSb NS IR光电探测器的光响应特性；

（d）在V_ds=100 mV时，637、940和1550 nm光的时间分辨光响应V_bg分别为0 V，42 V，50 V；

（e）当设备处于p-区域和n-区域时的能带图。

图四、P(VDF-TrFE)钝化InSb NS光电探测器的电性能
（a）设备的光学和示意图；

（b）P(VDF-TrFE)钝化的InSb NS光电探测器的能带图；

（c）在有无P(VDF-TrFE)钝化下，InSb NS光电探测器的传输特性；

（d）在77 K下有无钝化时，InSb NS光电探测器的V_ds-I_ds曲线。

图五、钝化InSb NS IR光电探测器的光响应特性
（a）在V_ds=100 mV和V_g=0 V时，对637、830、940和1310 nm光的时间分辨光响应；

（b）在黑暗中和不同入射光功率下，钝化的InSb NS光电探测器的V_ds-I_ds曲线；

（c）钝化的InSb NS IR光电探测器的响应度和检测率；

（d）光电流的上升和衰减时间分别测量为2.27 ms和2.03 ms。

【小结】

综上所述，作者利用高质量的InSb NSs制备红外探测器，其具有较宽的光谱探测范围。同时，该光电探测器还具有良好的光导电性能。为进一步提高探测器的光敏性，作者利用铁电聚合物P(VDF-TrFE)对InSb NSs表面进行钝化处理，得到了高灵敏度的红外光探测器。因此，暗电流被强烈抑制到4 nA，响应时间从秒减少到毫秒，提高了三个数量级。总之，该研究证明了InSb NSs具有优异的光电特性，在下一代电子和光电子学中具有广阔的应用前景。

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

本文由CQR编译。

欢迎大家到材料人宣传科技成果并对文献进行深入解读，投稿邮箱：tougao@cailiaoren.com.

投稿以及内容合作可加编辑微信：cailiaorenvip.