Повышенная чувствительность к слабому свету: фотодетекторы на массивах нанопроводов InAsSb с концевым контактом

Аннотация

В данном исследовании продемонстрировано простое изготовление фотодетектора на массиве нанопроводов (НП) InAsSb с концевым контактом для слабого света. Детектор изготавливается с использованием массива нанопроводов InAsSb, выращенного молекулярно-лучевой эпитаксией на субстрате GaAs. Металло-индуцированные зазорные состояния индуцируются концевым контактом, что подавляет темновой ток при различных температурах. Существование интерфейсного диполя из-за интерфейсных зазорных состояний усиливает световое возбуждение вокруг локального поля и тем самым повышает фотоответственность и фотовосприимчивость к слабому свету. Интенсивность инфракрасного источника света в этом отчете составляет 14 нВт/см², что примерно на 3–4 порядка меньше, чем лазерный источник. Ответственность детектора достигла 28,57 А/Вт при комнатной температуре при облучении светом (945 нм), а восприимчивость — 4,81 × 10¹¹ см·Гц¹/²·Вт⁻¹. Аномальная температурно-зависимая производительность проявляется в экспериментах при переменной температуре, и мы обсудили детальный механизм за нелинейным соотношением между фотовозбуждением устройства и температурами. Кроме того, оптоэлектронные характеристики детектора прояснили, что эффект захвата света и фотогейтинг-эффект нанопроводов могут усилить фотовозбуждение к слабому свету в диапазоне от ультрафиолета до ближнего инфракрасного. Эти результаты подчеркивают применимость детектора на массиве нанопроводов InAsSb к инфракрасному слабому свету без системы охлаждения.

Введение

Как важная ветвь узкополосных полупроводников III–V группы, InAsSb наследует преимущества InAs, такие как малая эффективная масса электрона и высокая подвижность электрона [1, 2]. Когда элемент Sb вводится в InAs, пороговая длина волны отклика тернарного InAsSb может быть расширена до дальнего инфракрасного диапазона благодаря эффекту изгиба запрещенной зоны [3]. Следовательно, InAsSb считается идеальным кандидатом в области инфракрасного детектирования [4–6]. В области оптоэлектроники одномерные (1D) наноструктуры [7] обладают огромными уникальными свойствами, включая большую площадь поверхности с многочисленными ловушечными состояниями, длинный путь поглощения фотонов и механически гибкую структуру благодаря их огромным соотношениям сторон [8]. Кроме того, в процессе развития 1D наноструктуры могут легко снимать решетчатое несоответствие с субстратами и, в свою очередь, достигать высокого кристаллического качества [9]. Сюда относятся применения для оптоэлектроники, такие как фотодетекторы [10], солнечные элементы [11], основанные на 1D наноструктурах, привлекающие огромные исследовательские интересы. Среди них, адаптированные структуры устройств [12] были предложены для достижения оптимизированного поглощения света и широкополосного сбора света, делая 1D наноструктуры подходящими для различных сценариев применения и достигающими совместимых компонентов с кремниевыми интегральными схемами. Недавно фотодетекторы на основе индивидуальных нанопроводов InAs продемонстрировали свой потенциал в инфракрасном детектировании [13]. С добавлением Sb, тернарный InAsSb может быть доступен в широком спектральном диапазоне для детектирования при комнатной температуре [14]. С пассивацией Al₂O₃ детекторы на основе нанопроводов InAsSb достигли неохлажденного детектирования в средневолновом инфракрасном спектре [15]. Однако традиционные источники света, широко применяемые в этих исследованиях, — высокоинтенсивные лазеры, и большинство этих устройств не могут работать при комнатной температуре [16]. Кроме того, традиционная структура устройства на основе нанопроводов не дружелюбна к массовому применению в совместимых интегральных схемах. Существует три основных типа традиционных детекторов на основе нанопроводов InAsSb, включая индивидуальное нанопроводное устройство [17], квантовые ямы, встроенные в нанопроводы InAs [3] и вертикальное индивидуальное нанопроводное устройство [14]. Все они требуют дорогостоящего нанофабрикационного процесса, такого как электронно-лучевая литография (EBL) и реакционно-ионное травление (RIE). Здесь инновация в структуре устройства срочна для применения нанопроводов.

Интерфейс всегда играет жизненно важную роль в оптических и электрических характеристиках устройства несмотря на ограниченный размер, делая контактную инженерию в устройствах на основе нанопроводов еще одним важным фактором [18]. Например, солнечный элемент с отличными всесторонними фотодетекционными свойствами к слабому свету был достигнут в гибридной структуре, использующей интерфейс между квантовыми точками графена и полистиролсульфонатом [19]. В данном исследовании мы модулируем оптоэлектрическую производительность устройства, используя зонную структуру на интерфейсе между электродом и полупроводником. Перераспределение заряда происходит на металл-полупроводниковом интерфейсе, и зарядовый перенос происходит между металлом и хвостами волновых функций металла в полупроводник. Перераспределение называется MIGS, которое может индуцировать зазорные состояния и интерфейсный диполяр в интерфейсных состояниях [20]. Однако результаты моделирования из модели MIGS все еще имеют отклонения от экспериментов, что считается результатом интерфейсных дефектов, дефектов, индуцированных производством, и закрепления уровня Ферми [21]. Особенно для нанопроводов InAsSb с богатыми поверхностными состояниями, закрепление уровня Ферми неизбежно, так что индуцированные зазорные состояния будут фильтровать зарядовый перенос. Таким образом, темновой ток устройства может быть подавлен в допустимом диапазоне. Кроме того, интерфейсный диполяр может усилить световое возбуждение в локальном поле, что необходимо для детектирования слабого света. Основываясь на обсуждении Чу и соавт., концевые контакты более вероятно достигают перекрытия состояний между металлом и полупроводником, чем планарные контакты [18]. Однако концевое устройство через индивидуальный нанопровод сталкивается с препятствиями в производстве. Здесь мы предлагаем решение, используя массивы нанопроводов для достижения концевого контакта между нанопроводами и металлом. По сравнению с традиционными фотодетекторами, сэндвич-структурированные устройства на массивах нанопроводов имеют преимущества легкого производства и высокой экологической адаптивности [22, 23]. Наполнитель (AZ5214), который наносится шпин-коутингом и выпекается вокруг нанопроводов в процессе производства, делает устройство более стабильным и антиоксидантным к окружающей среде. Когда свет вводится в массив нанопроводов, он отражается и преломляется в разных направлениях многократно, усиливая поглощение света внутри [24, 25]. Удлиненный путь света в массиве нанопроводов называется эффектом захвата света [26, 27], который широко используется в устройствах на основе массивов нанопроводов. И зонная структура, и структура устройства дают устройству потенциал для детектирования слабого света при комнатной температуре.

В данном исследовании мы изготовили устройство на массиве нанопроводов на основе нанопроводов InAsSb, выращенных МЛЭ (молекулярно-лучевой эпитаксией). Зазорные состояния и интерфейсный диполяр, индуцированные металл-полупроводниковым контактом, могут подавлять темновой ток и усиливать световое детектирование отдельно [28]. Эффект захвата света сэндвич-структуры массива нанопроводов способствует детектированию слабого света [29]. Подавленный темновой ток при комнатной температуре значительно минимизирует шум детектирования и позволяет детектирование при комнатной температуре [30]. Вылечивающая структура устройства делает устройство способным работать в окружающей среде. Также фотовозбуждение устройства флуктуирует с температурой, потому что сложные интерфейсные состояния ожидаются. При постоянной температуре значение фототока увеличивается линейно с интенсивностью падающего света, что демонстрирует потенциал для оптического измерителя мощности.

Методы/Экспериментальная часть

Нанопроводы InAsSb выращивали на субстратах GaAs {111}B с использованием системы МЛЭ (Riber 32 R&D) с in situ системой испарения Au. Эпитаксиально-готовый субстрат предварительно обрабатывали для удаления загрязнения. Затем буферный слой GaAs осаждали при 540 °C в течение 15 мин, и наночастицы Au формировались через процесс испарения и отжига. Стволы InAs выращивали 20 мин с температурой, поддерживаемой постоянно на 380 °C, а затем источник Sb вводили в камеру роста на 60 мин. Во время роста нанопроводов давление пучка In (BEP) держали на 2,7 × 10⁻⁷ мбар, As BEP было 2,2 × 10⁻⁶ мбар, а Sb BEP — 7 × 10⁻⁷ мбар, что приводило к соотношению потоков V/III ~ 11 и соотношению Sb/As ~ 0,3.

Для производства устройства AZ5214 (фоторезист) использовался как поддерживающий агент для поддержания ориентации нанопроводов. Затем массив нанопроводов с субстратом наносили шпин-коутингом AZ5214 при 3000 об/мин в течение 30 с и выпекали 2 мин при 120 °C. Гель AZ5214 прозрачен, что минимизирует потери света во время измерений. Для раскрытия кончиков нанопроводов поверхность массива шлифовали точностным сдвиговым измерителем (Logitech). Слои InAsSb, сформированные на поверхности субстрата во время роста нанопроводов через механизм ФТ (пар-твердое), могут выступать в качестве дренного электрода. Согласно измерениям Холла эпитаксиальных слоев InAsSb (показано в Дополнительном файле 1: Рисунок S1), комнатная концентрация носителей составляет около 2 × 10¹⁷ см⁻³, а подвижность — около 1,6 × 10⁴ см²/(В·с) при комнатной температуре. После этого пленочка Au с номинальной толщиной 8 нм осаждали на выбранных областях, одна из них на вершине массива, другая на эпитаксиальном слое. Малая толщина осажденного Au обеспечивает фотопропускание электрода и допустимые потери света во время измерений.

Морфологические, химические и структурные характеристики полученных нанопроводов InAsSb исследовали с использованием SEM (FE-SEM, JEOL 7800F) и TEM [TEM, Philips Tecnai F20, оборудованный энергодисперсивной спектроскопией (EDS) для композиционного анализа]. Индивидуальные нанопроводы для TEM анализа подготавливали ультразвуковой обработкой образцов нанопроводов в этаноле и рассеиванием их на Cu сетках, поддержанных углеродными пленками.

Измерения фотопроводимости проводились в гелиевом закрытом цикле криостате, оборудованном СД как источниками света. Температура в этой системе может быть модулирована между 2 К и комнатной температурой непрерывно, в то время как интенсивность света СД может быть легко настроена входным током. СД с различными длинами волн, включая 260 нм, 620 нм и 945 нм, использовались в этом исследовании. Интенсивность света СД связана как с температурой, так и с входным током. Интенсивность линейно увеличивается с током и уменьшается с температурой. Значения интенсивности света при комнатной температуре в этом измерении составляют 4000 нВт/см² для 260 нм, 558 нВт/см² для 620 нм и 14 нВт/см² для 945 нм. Связанная информация об интенсивности света можно найти в Ref. [30]. Постоянное напряжение V_DS = 100 мВ применялось между источником и стоком. Фотопроводимостный отклик получали через переключение ВКЛ/ВЫКЛ СД.

Результаты и обсуждение

На рис. 1 показаны исследования электронной микроскопии нанопроводов InAsSb. Рисунок 1a — наклонное SEM-изображение, показывающее, что диаметры нанопроводов варьируются от 100 до 200 нм, а длина — от 6 до 8 мкм. Рисунок 1b показывает яркопольное (BF) TEM-изображение типичного индивидуального нанопровода, указывающее на классическую сужающуюся структуру. Вдоль его осевого направления состав нанопровода показывает умеренное постепенное изменение, а средняя концентрация Sb высока до 30% на основе нашего количественного EDS анализа (подробности доступны в Дополнительном файле 1: Рисунок S2). Рисунок 1c показывает HRTEM-изображение средней части нанопровода, подтверждающее существование близнецов-плоскостей. Выбранная-область электронная дифракция (SAED) на рис. 1d также верифицирует близнецовую структуру, и два набора ZB (цинк-бленда)-структурированных дифракций могут быть отличены. Элемент Sb может использоваться как поверхностно-активное вещество и подавлять WZ (вюрцитевую) фазу нанопроводов InAs [31], благоприятствуя изменению фазовой структуры от WZ к ZB. В нашем случае соотношение V/III ~ 11, ведущее к среде, богатой V, что благоприятствует нуклеации ZB структуры [32], но оставляя несколько близнецов-плоскостей. Исследование о близнецовой структуре в нанопроводах InAsSb утверждало, что смещение на границе вызывает неравномерное локальное распределение Sb [12], благоприятствуя рассеянию электронов или захвату носителей [33].

Структура устройства иллюстрирована на рис. 2a, где пленочка Au покрывает вершину и дно массива. SEM-изображение устройства показано в Дополнительном файле 1: Рисунок S3, где оставшаяся длина составляет около 3 мкм и почти все нанопроводы интегрированы. Фоторезист используется для поддержания ориентации нанопроводов и интеграции нанопроводов в вылечиваемое устройство; таким образом устройство более антиоксидантно и подходит для применения. Сужающаяся структура используется в устройстве на массиве аморфных кремниевых нанопроводов, демонстрируя усиленное поглощение и нечувствительность к углу падения [34]. Рисунок 2b — схематическая карта интерфейса Au-InAsSb, определенная моделью MIGS. Рисунки 2c, d подтверждают почти постоянную проводимость, независимую от температуры, и значение проводимости составляет около 1 × 10⁻⁷ Ом⁻¹. Вольт-амперные характеристики при 2 К и 300 К без падающего света показаны на рис. 2d. Индивидуальный нанопровод имеет гораздо большее значение проводимости, показанное в Дополнительном файле 1: Рисунок S4. Массивное устройство эквивалентно параллельной цепи, соединенной тысячами индивидуальных нанопроводов, так что теоретическая проводимость должна была быть гораздо более значительной. Кроме того, у нас есть два основных знания о вопросах, связанных с проводимостью: (1) проводимость индивидуального нанопровода показывает сильную зависимость от температуры; (2) массивные устройства, сделанные из нанопроводов InAs в нашем исследовании, также имеют постоянную проводимость. Следовательно, мы заключаем, что контакт между металлом и полупроводником в этом устройстве имеет значительное сопротивление, доминирующее в общих выходных характеристиках.

Когда Au соединяется с нанопроводами InAsSb через концевой контакт, зарядовый перенос происходит на интерфейсе через хвосты волновых функций металла, что называется континуумом MIGS [18]. Перераспределение заряда на интерфейсе, произошедшее при формировании контакта, вызывает развитие интерфейсных диполей [35]. Согласно модели MIGS, барьерная высота интерфейса определяется Φ_Au (рабочая функция металла), Φ_NW (электронная сродство нанопровода InAsSb) и Δ_i (падение напряжения из-за интерфейсного диполя, возникающего при формировании интерфейса). δ_i — расстояние зазорных состояний, индуцированных металлом. Электронное состояние показано на рис. 2b. Интерфейсный диполяр может создать дополнительный барьер для электронов [36], однако эффект ограничен областью δ_i. Прежде всего, внутренние свойства устройства модулируются большим паразитным контактным сопротивлением [37]. В нашем устройстве большое контактное сопротивление эффективно снижает темновой ток, в то время как значение независимо от температуры. Таким образом, концентрация носителей может быть ограничена в благоприятном диапазоне для светового детектирования. Однако механизм контактного сопротивления из-за интерфейсного диполя, остающегося постоянным при переменных температурах, требует более детального исследования.

На рис. 3a показаны токи устройства от 2 до 120 К с и без светового освещения, остальное показано в Дополнительном файле 1: Рисунок S5. Состояния СД настраиваются во времени, в которых состояния «ВКЛ» и «ВЫКЛ» сохраняются по 60 с соответственно. Специфические значения тока СД, показанные в состояниях «ВКЛ», составляют 10, 20, 50, 100, 200, 500, 1000, 2000 и 3000 мкА соответственно. Измерение проводилось при разных температурах от 2 до 300 К. Вставка на рис. 3a показывает условия с тремя самыми слабыми источниками света (около 4–10 нВт/см²), указывающие на похожую тенденцию с рис. 3a. Однако очевидные разные оптические поведения могут быть заявлены с самым слабым светом, особенно для более медленной скорости отклика и слегка персистентной фотопроводимости. Рисунок 3b показывает время отклика устройства при 20 К, пока ток СД 2000 мкА. Стоит отметить, что рисунок 3c получен в окружающей среде при комнатной температуре. Что важнее, источник света, использованный здесь — все СД, и значения интенсивности света составляют 4000 нВт/см² (260 нм), 558 нВт/см² (620 нм) и 14 нВт/см² (945 нм) соответственно. Кроме фотовозбуждения, из скоростей отклика с разными длинами волн света мы можем заключить, что нанопроводы InAsSb имеют лучший отклик на инфракрасный свет.

Рисунок 3a показывает, что наше устройство имеет быстрый и очевидный положительный отклик при изменении состояний СД под разными температурами, и фотопроводимость увеличивается с током СД. Без светового освещения проводимость устройства составляет около 1,04 × 10⁻⁷ Ом⁻¹, что согласуется с выходным тестом, показанным на рис. 2c. При фиксированной температуре значение ΔG (определенное как проводимость минус темновая проводимость) увеличивается почти линейно с током СД, представляющим интенсивность света. Когда источник света блокировался, ток устройства немедленно восстанавливался в исходное состояние. Максимальное значение ΔG в этом графике составляет 3,2 × 10⁻⁸ Ом⁻¹ при 10 К. Следует отметить, что в этом графике можно отличить два типа фотовозбуждения:

1. для большинства температур токи имеют быстрый рост, когда СД включается, и токи стабильны, пока СД включен;

2. при 10 К и 20 К ток также имеет быстрый рост при световом освещении. Однако ток имеет незначительное снижение при включенном СД, оставляя «хвост» на графике, которого нет при других температурах.

Для прояснения внутреннего механизма в двух разных типах фотовозбуждения, информация о скорости отклика при 20 К, когда ток СД 2000 мкА, извлекается как доказательство, и конкретные значения показаны на рис. 3b. Время отклика [38, 39] (τ_ris, представляющее временной зазор от 90% пика тока до 10% пика тока) определяется как 1,8 с, в то время как время восстановления (τ_rec, определенное противоположно) составляет 2,4 с, которые почти постоянны во всем температурном диапазоне. Для 10 К и 20 К задержка времени структуры «хвоста» составляет около 15,7 с, что удивительно отсутствует, когда освещение тока СД меньше 500 мкА. В сочетании с условием слабого света во вставке рис. 3a, можно продемонстрировать три вида фотовозбуждения при 10 К и 20 К. С самым слабым светом (10–50 мкА) ток медленно увеличивается со временем. Когда ток СД увеличивается до 100–500 мкА, отклик становится быстрым. Как только ток превышает 1000 мкА, формируется хвост. Другими словами, только достаточная интенсивность света может вызвать временную структуру «хвоста». Подобные структуры «хвоста» широко сообщались в нанопроводах InAs [40, 41]. Источники света в этих отчетах — все лазеры с высокой интенсивностью света, что согласуется с нашим результатом, что структура «хвоста» появляется только в зонах высокой интенсивности света. Они утверждали, что «хвост» исходит от задержанного эффекта, соответствующего захвату и освобождению носителей на поверхностных состояниях [42]. Для нанопроводов InAsSb в нашем случае поверхностные состояния более неизбежны из-за сильного поверхностно-активного эффекта, включенного с Sb [43]. Следовательно, мы предполагаем, что структура «хвоста» исходит из дефектных состояний близнецовой структуры, которые ловят электроны только при определенных температурах с достаточно сильной световой ассистенцией.

Для заданного фотодетектора фотовозбуждение может быть выражено [44]

$$\mathrm{R}=\frac{{I}_{\mathrm{p}}}{PA}$$ (1)

где I_p — фотоконт устройства, P — световая мощность на устройстве, A — эффективная площадь устройства. Для нашего устройства эффективная площадь составляет 1 мм², определенная маской, использованной при испарении электродов, а светопринимающая площадь фотометра — 0,9 см². При этих обстоятельствах фотовозбуждение устройства может быть определено как 4,25 мА/Вт (260 нм), 1,27 А/Вт (620 нм) и 28,57 А/Вт (945 нм) соответственно, что дополнительно подтвердило потенциал сэндвич-структурированного устройства на нанопроводах InAsSb в инфракрасном детектировании.

Фотовосприимчивость устройства может быть представлена как [14]

$${D}^{*}=R{A}^{\frac{1}{2}}/{(2e{I}_{\mathrm{dark}})}^{\frac{1}{2}}$$ (2)

где R — фотовозбуждение устройства, e — электронный заряд. I_dark представляет темновой ток устройства, значение 10,8 нА. С подавленным темновым током в сэндвич-структуре InAsSb нанопроводов, значения D* фотодетектора достигают 7,28 × 10⁷ (260 нм), 2 × 10¹⁰ (620 нм) и 4,81 × 10¹¹ см·Гц¹/²·Вт⁻¹ (945 нм) соответственно. Особо, коэффициент заполнения нанопроводов в этой массивной структуре меньше 50%, что делает фактические R и D* больше результата, который мы рассчитали. Высокие R и D* не только атрибутируются эффекту захвата света массивного устройства, но и исходят от интерфейсной структуры [2]. По сравнению с нанопроводными фотодетекторами, суммированными в Ref. [45], рабочая температура 300 К для нашего устройства имеет превосходный прикладной потенциал в реальных сценариях [6]. Кроме того, при комнатной температуре фотовозбуждение нашего легко-производимого устройства на массиве нанопроводов InAsSb (28,57 А/Вт при 945 нм) может превосходить большинство сложных устройств на основе нанопроводов (WSe₂/Bi₂Te₃: 20 А/Вт при 980 нм [46], PtSe₂/перовскит: 0,12 А/Вт при 800 нм [47]). Даже если интерфейсный диполяр экспериментально недостижим, выходные характеристики на рис. 2 могут предоставить твердое доказательство его существования в нашем устройстве. Как предполагалось в предыдущем обсуждении, интерфейсный слой устройства может функционировать как оптическая диполярная решетка при световом освещении, что может способствовать большему фактору усиления поля. Этот эффект называется эффектом усиления интерфейсного диполя (IDEE) в предыдущих исследованиях [48]. IDEE работает для более широкого диапазона длин волн, чем эффект усиления поверхностного плазмы, который существует только в диапазоне резонансной длины волны. Эффект усиления вокруг интерфейсных состояний и эффект захвата света массивного устройства работают вместе для детектирования слабого света в нашем устройстве.

Фотоконт может быть выражен [28]

$${I}_{p}=qg{V}_{\mathrm{NW}}[\tau {\mu}_{d}/l]$$ (3)

где q — элементарный заряд, g — скорость генерации фотоноснителей, V_NW — объем нанопровода, τ — время жизни меньшинственных носителей, μ_d — дрейфовая подвижность, l — длина нанопровода. Это уравнение проясняет, что время жизни меньшинственных носителей и дрейфовая подвижность — два ключевых параметра для фотоконта [43]. Оптоэлектрический процесс массивного устройства InAsSb показан на рис. 4c, d. До ввода света электроны переносятся между Au и нанопроводами InAsSb, формируя темновой ток. Зазорные состояния из-за интерфейсного диполя достаточно коротки для переноса носителей с достаточным импульсом. В нашем устройстве интерфейсные состояния, индуцированные родной близнецовой структурой и дефектами производства, могут оба выступать как ловушечные состояния. При включении света избыточные электроны с достаточной энергией и импульсом будут захвачены на интерфейсных состояниях, как показано процессами I и III. Уменьшенная электронная концентрация заставляет подвижность в канале увеличиваться и продлевает время жизни фотосгенерированных электронов. С другой стороны, захваченные электроны в интерфейсном состоянии рассеивают электроны в канале и заставляют подвижность уменьшаться. Освобожденные электроны вернутся в зону проводимости через процесс IV и участвуют в токе. Электроны с более низкой энергией будут мотивированы на проводимую зону и участвуют в токе, как показано процессом II. Через некоторое время электроны рекомбинируют с дырками, оставленными в валентной зоне, как показано процессом V. Мы можем заключить два вида процессов рассеяния в устройстве: центры рассеяния захваченных электронов и электрон-электронное рассеяние в канале [49]. Больше захваченных электронов на интерфейсных состояниях уменьшит подвижность носителей и концентрацию носителей в канале. Следовательно, электрон-электронное рассеяние ослабнет и действует на увеличение подвижности в свою очередь. В заключение, эти два процесса рассеяния будут сотрудничать на токе и получить экстремум около 10–20 К. Особенностью этого пика является структура «хвоста», стабильное положение пика и персистентная фотопроводимость при ультраслабом световом освещении. При ультраслабом световом освещении индуцированное количество фотонов недостаточно для достижения насыщенного фотоконта сразу. Поэтому устройство показывает персистентный фотоконт до насыщения. Когда интенсивность света увеличивается, фотовозбужденные носители усиливают ток и достигают экстремального значения в короткое время отклика. Однако это сложнее с более высокой интенсивностью света. Избыточные носители над насыщенными состояниями становятся захваченными в интерфейсных состояниях. Когда захваченные электроны освобождаются в зону проводимости, концентрация снова увеличивается. Увеличивающееся электрон-электронное рассеяние заставляет ток уменьшаться, что называется задержанным эффектом, и создает структуру «хвоста».

Для второго пика около 100–120 К, подобный сдвиг пика сообщался в пленке Bi₂Te₃ [50]. Наш анализ указывает на существование рекомбинационных центров в этом температурном диапазоне. Внутренний механизм подобен Bi₂Te₃, оба связаны с балансом фотоконта (I_p) и темнового тока (I_d). В нашем случае I_d почти постоянна во всем измерительном температурном диапазоне. I_p определяется временем жизни меньшинственных носителей и дрейфовой подвижностью. Обратите внимание, что эти два параметра нанопроводов InAsSb имеют противоположные зависимости от температуры. Для времени жизни меньшинственных носителей, термически возбужденные темновые носители увеличиваются с температурой, так же как рекомбинационная скорость фотосгенерированных носителей [51]. Таким образом, время жизни меньшинственных носителей обратно пропорционально температуре. Дрейфовая подвижность пропорциональна температуре, так как высокая температура вызывает термическое возбуждение в нанопроводах. Пик возникает, когда I_p и I_d достигают баланса при определенной температуре, которая составляет около 100–120 К. С более высокой интенсивностью света больший объем фотосгенерированных носителей потребует больше термически возбужденных носителей при более высокой температуре для достижения баланса. Следовательно, второй пик смещается к более высокой температуре при увеличении интенсивности света. Рисунок 4b показывает зависимость фотопроводимости устройства на нанопроводах InAsSb от интенсивности света, где значения ΔG не нормализованы. Как видно, интенсивность света СД строго линейно увеличивается с входным током (см. Дополнительный файл 1: Рисунок S6). Следовательно, этот результат представляет соотношение между фотовозбуждением и интенсивностью света, демонстрируя потенциал устройства на массиве нанопроводов InAsSb в оптическом измерителе мощности.

Заключение

В резюме, сэндвич-структурированный фотодетектор на основе массива нанопроводов InAsSb достиг отличной оптической производительности благодаря MIGS, индуцированным концевым контактом. Интерфейсный диполяр и зазорные состояния подавляют темновой ток и усиливают детектирующую способность устройства. Родные дефекты и дефекты, индуцированные производством, в устройстве выступают интерфейсными состояниями для модуляции оптических свойств. Даже при ультраслабом свете (4–20 нВт/см²) устройство показывает очевидный фотовозклик при комнатной температуре. Отклик на СД с разными длинами волн указал, что устройство на массиве нанопроводов InAsSb имеет самый сильный отклик на инфракрасный свет (945 нм). Фотовозбуждение и фотовосприимчивость составляют 40 А/Вт и 7 × 10¹¹ см·Гц¹/²·Вт⁻¹ соответственно. Эти результаты подтвердили, что сэндвич-структура в данном исследовании благоприятствует повторяемости и надежности устройств на нанопроводах, проложив путь для производства устройств на основе нанопроводов. Что важнее всего, устройство может работать в окружающей среде при комнатной температуре, что является большим прорывом для инфракрасного детектирования.

Доступность данных и материалов

Все данные полностью доступны без ограничений. Наборы данных, использованные и/или проанализированные в ходе текущего исследования, доступны от соответствующего автора по разумному запросу.

Аббревиатуры

MBE:

Молекулярно-лучевая эпитаксия

1D:

Одномерный

NW:

Нанопровод

BEP:

Давление эквивалентное пучку

VS:

Пар-твердое

VLS:

Пар-жидкость-твердое

EBL:

Электронно-лучевая литография

RIE:

Реакционно-ионное травление

WZ:

Вюрцитевая

ZB:

Цинк-бленда

BFTEM:

Яркопольная развеивающая электронная микроскопия

HRTEM:

Высокоразрешающая проходная электронная микроскопия

SAED:

Выбранная-область электронная дифракция

EDS:

Энергодисперсивная спектроскопия

MIGS:

Металло-индуцированные зазорные состояния

IDEE:

Эффект усиления интерфейсного диполя

LED:

Светодиод