中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)微電子學(xué)院龍世兵教授、孫海定研究員團(tuán)隊(duì)在氮化鎵（GaN）半導(dǎo)體p-n異質(zhì)結(jié)中實(shí)現(xiàn)了獨(dú)特的光電流極性反轉(zhuǎn)，即雙向光電流現(xiàn)象。相關(guān)成果9月23日發(fā)表在《自然?電子學(xué)》上。
（中國(guó)科大供圖）
半導(dǎo)體p-n結(jié)是眾多電子元器件的基本構(gòu)成單元，基于此所構(gòu)建的傳統(tǒng)固態(tài)光電探測(cè)器可將光信號(hào)捕獲并轉(zhuǎn)換為輸出電信號(hào)，被廣泛應(yīng)用于成像、傳感、探測(cè)等領(lǐng)域。然而，該類(lèi)器件受限于傳統(tǒng)p-n結(jié)的工作機(jī)理，大大限制了其在特殊應(yīng)用場(chǎng)景，例如高分辨多色成像、生物光電檢測(cè)、便攜式小型光譜儀、多通道光通信和光邏輯運(yùn)算等中的應(yīng)用。
研究人員基于前期的工作積累，從GaN基半導(dǎo)體p-n異質(zhì)結(jié)能帶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，MBE外延工藝探索及納米線形貌調(diào)控出發(fā)，結(jié)合DFT第一性原理理論計(jì)算優(yōu)化及半導(dǎo)體表面金屬鉑（Pt）納米顆粒定向修飾，成功構(gòu)建了基于p-AlGaN/n-GaN異質(zhì)p-n結(jié)的光譜可分辨型光電探測(cè)器。在固定偏壓下，該器件在兩種不同波長(zhǎng)光的照射下展現(xiàn)出獨(dú)特的光電流極性反轉(zhuǎn)現(xiàn)象：在254nm光照下光電流為負(fù)電流，而在365nm光照下光電流為正電流。理論計(jì)算證實(shí)：通過(guò)在半導(dǎo)體p-AlGaN表面修飾貴金屬Pt納米顆粒可以有效改善氫吸附自由能，并提高光電化學(xué)光探測(cè)過(guò)程中的光生載流子分離效率。最終，在固定偏壓下，研究人員成功觀察到在不同波長(zhǎng)光照下GaN基pn結(jié)納米線中的光電流極性反轉(zhuǎn)現(xiàn)象。
這種新型器件架構(gòu)不僅克服了傳統(tǒng)固態(tài)p-n結(jié)光電探測(cè)器的功能限制，通過(guò)改變半導(dǎo)體材料本身帶隙，還可以實(shí)現(xiàn)從深紫外到近紅外全光譜響應(yīng)覆蓋，有望為便攜式光譜儀、液體環(huán)境如水下，生物體內(nèi)的光電探測(cè)和傳感、高分辨率多通道光電傳感器/成像設(shè)備、光控邏輯電路等未來(lái)新學(xué)科交叉領(lǐng)域帶來(lái)新的應(yīng)用突破。
