Nano Lett. 基于砷化铟纳米线的高效中红外光电探测器

【引言】

近几年来，一维砷化铟纳米线（InAs NW）受到广泛研究。由于迁移率高、带隙窄，一维砷化铟纳米线在光电应用领域表现出极大的潜力。然而，目前对InAs NW的报道大部分局限在可见光波段。砷化铟纳米线对近红外光的特定响应虽然有所报道，但是暗电流大，光开关电流比小等问题并没有得到解决，因此，极大地限制了其光电探测能力。

【成果简介】

中国科学院上海技术物理研究所、中国科学技术大学以及中国科学院大学的胡伟达和陈效双（通讯作者）等研究人员利用分子束外延技术（MBE）合成了InAs NW，并将其转移至Si/SiO2基底上，成功制备了源/漏电极（S/D）。胡、陈等首次提出可见光协助降低暗电流的方法。该方法有效降低了InAs NW光电探测器的暗电流，提高了其红外探测能力，将器件变为金属-半导体-金属（MSM）光电二极管，实现了小于1µm，大于3µm的宽波段探测，几十微秒的快速响应以及约为10^12 Jones的高探测率。

【图文导读】

图1：InAs NW MSM光电二极管的形成示意图及在77K下的工作原理

a）450nm激光照射下光栅层诱导的负响应过程；

b）停止光照后PGL中的表层捕获电子形成的空间电荷区；

c）金属-半导体接触能带示意图及450nm光照前后的势垒高度对比；

d）低偏置电压下红外探测的工作原理；

图2：77K下450nm光照前后的器件性能对比（本实验采用的2000nm激光的功率密度大约均为1.7 mW/mm2）

a）协助光照前在无光照和2000nm光照下的Ids−Vds线性特征图；

b）协助光照后在无光照和2000nm光照下的Ids−Vds对数特征图；

c）Vds = 0.1 V时，在0.5 Hz-chopped 2000 nm激光照射下MSM 光电二极管的光响应性能；

d）Vds = 0.1 V时，450nm的光照前后在2000nm激光照射下的响应率和探测率对比；

图3：探测机理示意图

a）460K下对光的负响应；

b）360K和 460K下电子释放过程的对比；曲线拟合所用数据均取自光照停止后100s内的电流数据；

c）背栅扫压对表层捕获电子的影响；

d）在450nm协助光的调整下重新形成了高Schottky势垒；

e）在无光照（450nm光照后）和450nm光照下的Ids−Vds对数特征图；

f）MSM光电二极管在Vds分别为1.5和2.0V时，450nm光照调整后的光响应性能；

g）InAs NW MSM光电二极管的光电流示意图；

h）示波器记录绘制光电流示意图的过程中记录的光电流（黑线）；红线和绿线为高斯拟合的光电流分布，蓝线为拟合光电流的总和；时间轴可视为沿NW的距离；

图4：InAs NW MSM光电二极管的光探测性能

a)依赖功率密度的净光电流（Vds =0.1 V ， λ = 2000 nm）；

b）响应率及净光电流对入射功率密度曲线；

c）对 λ = 2000 nm的光响应的高时间分辨率测试；

d）功率密度为0.7 mW/mm2，在不同波长光照下的Ids−Vds对数特征图；

e）依赖于波长的响应率和探测率；

f）本文及以前报道的探测波段及响应时间；

【小结】

本文报道了可见光协助的InAs NW MSM光电二极管，成功将InAs NW 光电探测器的探测波段从可见、近红外扩展至中红外。该器件表现出优异的红外探测性能，展示出在红外光电探测领域的极大潜力。

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

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