Verbeterde lage-lichtgevoeligheid: Eindaangebonde InAsSb-nanodraadarray-fotodetectoren

Samenvatting

In deze studie wordt een eenvoudige fabricage van eindaangebonde contacten InAsSb-nanodraad (NW) array-detectoren voor zwak licht gedemonstreerd. De detector wordt gefabriceerd met InAsSb NW-arrays gegroeid door moleculaire bundel-epitaxie (MBE) op GaAs-substraat. Metaal-geïnduceerde gatstatussen (MIGS) worden geïnduceerd door de eindaangebonde contacten, wat de donkerstroom bij verschillende temperaturen onderdrukt. Het bestaan van de interface-dipool door de interfaciale gatstatussen versterkt de lichtexcitatie rond het lokale veld en verhoogt daardoor de fotoresponsiviteit en fotodetectiviteit voor zwak licht. De lichtintensiteit van de infrarood lichtbron in dit rapport is 14 nW/cm², wat ongeveer 3 tot 4 ordes van grootte minder is dan de laserbron. De responsiviteit van de detector heeft 28,57 A/W bereikt bij kamertemperatuur met licht (945 nm) bestraling, terwijl de detectiviteit 4,81 × 10¹¹ cm·Hz½ W⁻¹ is. Anomale temperatuurafhankelijke prestaties komen naar voren in variabele-temperatuurexperimenten, en we bespreken het gedetailleerde mechanisme achter de niet-lineaire relatie tussen de fotorespons van het apparaat en temperaturen. Bovendien tonen de opto-elektronische kenmerken van de detector aan dat het lichtvang-effect en fotogating-effect van de nanodraden de fotorespons voor zwak licht over ultraviolet tot nabij-infrarood kunnen verbeteren. Deze resultaten benadrukken de haalbaarheid van de InAsSb NW-array-detector voor infrarood zwak licht zonder koelsysteem.

Inleiding

Als een belangrijk tak van smalle bandkloof III-V-semiconductors, erfent InAsSb voordelen van InAs zoals kleine effectieve elektronenmassa en hoge elektronenmobiliteit. Wanneer het Sb-element in InAs geïntroduceerd wordt, kan de afsnij-golflengte-respons van ternaire InAsSb uitgebreid worden naar het lange-golflengte infraroodbereik door het bandkloof-bowingeffect. Daardoor wordt InAsSb beschouwd als een ideale kandidaat op het gebied van infrarooddetectie. In het veld van opto-elektronica hebben eendimensionale (1D) nanostructuren enorme unieke eigenschappen, waaronder groot oppervlak met talloze valstatussen, lange weg voor fotonabsorptie en mechanisch flexibele structuur door hun enorme aspectratios. Daarnaast kunnen 1D-nanostructuren tijdens hun ontwikkeling de rooster-mismatch met substraten gemakkelijk loslaten en daarmee hoge kristalkwaliteit bereiken. Toepassingen voor opto-elektronica zoals fotodetectoren en zonnecellen gebaseerd op 1D-nanostructuren trekken enorm onderzoeksaan. Daaronder werden aangepaste apparaatstructuren voorgesteld geoptimaliseerde lichtabsorptie en breedband lichtopbrengst te bereiken, waardoor 1D-nanostructuren geschikt zijn voor gevarieerde toepassingsscenario's en compatibele componenten voor silicium-gebaseerde geïntegreerde circuits. Recentelijk hebben fotodetectoren gebaseerd op individuele InAs-nanodraden hun potentieel in infrarooddetectie aangetoond. Met de toevoeging van Sb kan ternaire InAsSb bereikbaar zijn over het brede-spectrum bereik voor kamertemperatuurdeteckie. Met Al₂O₃-passivatie hebben detectors gebaseerd op InAsSb-nanodraden ongekelde detectie van het midden-golflengte infraroodspectrum bereikt. Echter, conventionele lichtbronnen die breed worden toegepast in deze studies zijn hoge-intensiteit lasers en de meeste van deze apparaten kunnen niet bij kamertemperatuur werken. Bovendien is de conventionele apparaatstructuur gebaseerd op nanodraden niet vriendelijk voor massa-toepassing in compatibele geïntegreerde circuits. Er zijn drie hoofdtypen traditionele detectors gebaseerd op InAsSb-nanodraden: individueel NW-apparaat, kwantumputten ingesloten in InAs-nanodraden en verticaal individueel NW-apparaat. Allen vereisen kostbare nanofabricageprocessen zoals elektronenbundel-lithografie (EBL) en reactieve ionen-etching (RIE). Innovatie in de apparaatstructuur is daarom dringend nodig voor de toepassing van nanodraden.

De interface speelt altijd een cruciale rol in de optische en elektrische prestaties van het apparaat ondanks de beperkte grootte, wat contact-engineering in NW-gebaseerde apparaten een andere essentiële factor maakt. Bijvoorbeeld, een zonnecel met uitstekende omnidirectionele fotodetectie-eigenschappen voor zwak licht werd bereikt in de hybride structuur die de interface tussen grafene-kwantumpuntjes en polystyreen-sulfonate benutte. In deze Studie moduleren we de opto-elektrische prestaties van het apparaat met behulp van de bandstructuur op de interface tussen elektrode en semiconductor. De ladingherverdeling vindt plaats op de metaal-semiconductor-interface, en ladingsoverdracht treedt op tussen het metaal en de staarten van de metaalgolffuncties in de semiconductor. Deze herverdeling wordt aangeduid als MIGS, wat gatstatussen en interface-dipool op de interfaciale statussen kan induceren. Simulatieresultaten uit het MIGS-model hebben echter nog afwijkingen ten opzichte van experimenten, wat wordt toegeschreven aan interfacedefecten, fabricage-geïnduceerde defecten en Fermi-niveau-pinning. Vooral voor InAsSb-nanodraden met rijke oppervlaktetoestanden is Fermi-niveau-pinning onvermijdelijk, zodat de geïnduceerde gatstatussen de ladingsoverdracht filteren. Op deze manier kan de donkerstroom van het apparaat in een acceptabel bereik worden onderdrukt. Verder kan de interfaciale dipool de lichtexcitatie in het lokale veld versterken, wat essentieel is voor zwak lichtdetectie. Op basis van de discussie van Chu et al. zijn eindaangebonde juncties meer geneigd om toestandoverlap tussen metaal en semiconductor te bereiken dan vlakke-aangebonde juncties. Echter, het eindaangebonde apparaat via individuele NW kampte met fabricage-obstakels. Hier bieden we een oplossing door NW-arrays te gebruiken om de eindaangebonde contact tussen NWs en metaal te bereiken. Vergeleken met conventionele fotodetectoren hebben sandwich-gestructureerde NW-array-apparaten de voordelen van eenvoudige fabricage en hoge omgevingsadaptabiliteit. De vulling (AZ5214), die tijdens het fabricageproces om de NWs wordt gespind en gebakken, maakt het apparaat stabieler en anti-oxidant voor de omgeving. Wanneer licht in de NW-array wordt geïntroduceerd, reflecteert en breekt het in verschillende richtingen meerdere keren, wat de absorptie van licht binnenin verhoogt. De verlengde lichtweg in de NW-array wordt aangeduid als het lichtvang-effect, wat breed wordt gebruikt in NW-gebaseerde array-apparaten. Zowel de bandstructuur als de apparaatstructuur geven het apparaat potentieel voor zwak lichtdetectie bij kamertemperatuur.

In deze studie fabriceren we het NW-array-apparaat gebaseerd op InAsSb NWs gegroeid door MBE. De gatstatussen en interface-dipool geïnduceerd door de metaal-semiconductor-contact kunnen de donkerstroom onderdrukken en de lichtdetectie apart versterken. Het lichtvang-effect van de sandwich-structuur van de NW-array draagt bij aan zwak lichtdetectie. Onderdrukte donkerstroom bij kamertemperatuur minimaliseert detectieruis en maakt detectie bij kamertemperatuur mogelijk. De curerende apparaatstructuur maakt het apparaat in staat om in een omgevingsomgeving te werken. Ook fluctueert de fotorespons van het apparaat met temperatuur omdat gecompliceerde interface-toestanden worden verwacht. Bij constante temperatuur neemt de waarde van de fotostroom lineair toe met de invalslichtintensiteit, wat potentieel voor de optische vermogensmeter demonstreert.

Methoden/Experimenteel

InAsSb NWs werden gegroeid op GaAs {111}B substraten met het MBE-systeem (Riber 32 R&D) met een in situ Au-verdampsysteem. Het epi-klaar substraat werd voorgebehandeld om contaminatie te verwijderen. Vervolgens werd een GaAs-bufferlaag gedeponeerd bij 540 °C gedurende 15 min en de Au-nanopartikels gevormd via het verdampen en aanlassen proces. InAs-stammen werden 20 min gegroeid met de temperatuur constant op 380 °C, en vervolgens werd de Sb-bron 60 min geïntroduceerd in de groeikamer. Tijdens de NW-groei werd de In BEP (bundel-equivalente druk) constant gehouden op 2,7 × 10⁻⁷ mbar, de As BEP op 2,2 × 10⁻⁶ mbar, en de Sb BEP op 7 × 10⁻⁷ mbar, leidend tot een V/III fluxverhouding van ~11 en een Sb/As-verhouding van ~0,3.

Voor de apparaatfabricage werd AZ5214 (fotoresistent) gebruikt als steunmiddel om de oriëntatie van NWs te behouden. Vervolgens werd de NW-array met het substraat gespind met AZ5214 bij 3000 rpm gedurende 30 s en 2 min gebakken bij 120 °C. Het gel AZ5214 is transparant en minimaliseert lichtverlies tijdens metingen. Om de punten van de NWs te blootleggen, werd het oppervlak van de array gepolijst met een precisie-schaafmaat. De InAsSb-lagen gevormd op het substraatoppervlak tijdens de NW-groei via VS (dampvast) mechanisme kunnen fungeren als de drain-elektrode. Volgens de Hall-meteling van InAsSb epi-lagen (getoond in Additioneel bestand 1: Figuur S1) is de kamertemperatuur ladingsconcentratie ongeveer 2 × 10¹⁷ cm⁻³, terwijl de mobiliteit ongeveer 1,6 × 10⁴ cm²/(V·s) is bij kamertemperatuur. Daarna werd een Au-film met een nominale dikte van 8 nm gedeponeerd op de geselecteerde gebieden, één op de top van de array en de ander op de epi-laag. De kleine dikte van de gedeponeerde Au waarborgt de elektrode-fotopermeabiliteit en acceptabel lichtverlies tijdens metingen.

De morfologische, chemische en structurele kenmerken van de verkregen InAsSb NWs werden onderzocht met SEM (FE-SEM, JEOL 7800F) en TEM [TEM, Philips Tecnai F20, uitgerust met energie-dispersieve spectroscopie (EDS) voor compositionele analyse]. Individuele NWs voor TEM-analyse werden voorbereid door de NW-monsters in ethanol te ultrasoneren en te disperseren op Cu-roosters ondersteund door koolstoffilms.

De fotoconductiviteitsmetingen werden genomen in een helium gesloten-cyclus cryostaat uitgerust met LEDs als lichtbronnen. De temperatuur in dit systeem kan tussen 2 K en kamertemperatuur continu gemoduleerd worden, terwijl de lichtintensiteit van LEDs gemakkelijk afgesteld kan worden door de invoerstroom. LEDs met diverse golflengtes inclusief 260 nm, 620 nm en 945 nm werden in deze studie gebruikt. De lichtintensiteit van LED is gerelateerd aan zowel temperatuur als invoerstroom. De intensiteit neemt lineair toe met de stroom en af met de temperatuur. De waarden van lichtintensiteit bij kamertemperatuur in deze meting zijn 4000 nW/cm² voor 260 nm, 558 nW/cm² voor 620 nm en 14 nW/cm² voor 945 nm. Gerelateerde lichtintensiteitsinformatie kan gevonden worden in Ref. [30]. Een constante spanning VDS = 100 mV werd toegepast tussen source en drain. Fotoconductiviteitsrespons kan verkregen worden door het aan/uit schakelen van de LEDs.

Resultaten en discussie

Figuur 1 toont elektronenmicroscopie-onderzoeken van de InAsSb NWs. Figuur 1a is een gekanteld SEM-beeld, dat toont dat de diameters van de NWs variëren van 100 tot 200 nm en de lengte van 6 tot 8 µm. Figuur 1b toont een helder-veld (BF) TEM-beeld van een typische individuele NW, wat een klassieke afdunende structuur aangeeft. Langs de assiale richting toont de samenstelling van de NW een matige graduele verandering en is de gemiddelde Sb-concentratie hoog tot 30% gebaseerd op onze kwantitatieve EDS-analyse (details in Additioneel bestand 1: Figuur S2). Figuur 1c toont het HRTEM-beeld van het midden deel van de NW, wat het bestaan van tweelingvlakken bevestigt. Het geselecteerde gebied elektronen-diffractie (SAED) patroon in Fig. 1d verifieert ook de tweelingstructuur, en twee sets ZB (zincblende)-gestructureerde diffracties kunnen onderscheiden worden. Het Sb-element kan als surfactant fungeren en de WZ (wurtziet)-fase van InAs NWs onderdrukken, wat de structuurfasenverandering van WZ naar ZB begunstigt. In ons geval is de V/III-verhouding ~11, leidend tot een V-rijke omgeving, wat de nucleatie van ZB-structuur begunstigt, maar met een paar tweelingvlakken. Het onderzoek over de tweelingstructuur in InAsSb NWs beweerde dat de verplaatsing aan de grens een oneven lokale Sb-verdeling zou veroorzaken, wat elektronenverstrooiing of ladingsvanging begunstigt.

De apparaatstructuur is geïllustreerd in Fig. 2a, waarin de Au-film de top en de bodem van de array bedekt. Het SEM-beeld van het apparaat is getoond in Additioneel bestand 1: Figuur S3, waar de overgebleven lengte ongeveer 3 µm is en bijna alle NWs geïntegreerd zijn. De fotoresistent wordt gebruikt om de NWs oriënterend te houden en de NWs te integreren in een curerend apparaat; op deze manier is het apparaat meer anti-oxidatie en geschikt voor toepassing. De afdunende structuur wordt gebruikt in amorfe silicium NW-array apparaten, wat een verbeterde absorptie demonstreert en ongevoelig is voor de invalshoek. Figuur 2b is een schets van de Au-InAsSb-interface bepaald door het MIGS-model. Figuur 2c, d bevestigen een bijna constante geleiding onafhankelijk van temperatuur, en de waarde van de geleiding is ongeveer 1 × 10⁻⁷ Ω⁻¹. De I-V-krommen bij 2 K en 300 K zonder invalslicht zijn getoond in Fig. 2d. De individuele nanodraad heeft een veel grotere waarde van de geleiding getoond in Additioneel bestand 1: Figuur S4. Het array-apparaat is equivalent aan een parallelle schakeling die verbonden is door duizenden individuele NWs, zodat de theoretische geleiding een veel grotere waarde had moeten hebben. Bovendien hebben we twee basiskennis over geleiding-gerelateerde kwesties: (1) de geleiding van individuele NW toont een sterke afhankelijkheid van de temperatuur; (2) de array-apparaten gemaakt van InAs NWs in onze studie hebben ook constante geleiding. Daarom concluderen we dat de contact tussen het metaal en de semiconductor in dit apparaat een aanzienlijke weerstand heeft die de algehele uitvoerkenmerken domineert.

Wanneer Au verbonden wordt met InAsSb NWs via een eindaangebonde contact, vindt ladingsoverdracht plaats op de interface via de staarten van de metaalelektron-golffuncties, wat de continuüm van MIGS wordt genoemd. De ladingherverdeling op de interface die eenmaal plaatsvindt zodra de contact vormt, zou interface-dipolen laten ontstaan. Volgens het MIGS-model wordt de interface-barrièrehoogte bepaald door ΦAu (werkfunctie van het metaal), ΦNW (elektronenaffiniteit van de InAsSb NW) en Δi (spanningsval door een interface-dipool die ontstaat bij de vorming van de interface). De δi is de afstand van de gatstatussen geïnduceerd door het metaal. De elektronische toestand wordt weergegeven in Fig. 2b. De interface-dipool kan een extra barrière voor elektronen creëren, doch het effect is beperkt tot een gebied van de δi. Bovenstaand moduleren de intrinsieke eigenschappen van het apparaat de grote parasitische contactweerstand. In ons apparaat verlaagt de grote contactweerstand de donkerstroom effectief, terwijl de waarde onafhankelijk is van de temperatuur. Op deze manier kan de ladingsconcentratie in een gunstig bereik voor lichtdetectie beperkt worden. Toch vereist het mechanisme van contactweerstand door de interface-dipool constant te blijven bij variërende temperaturen gedetailleerder onderzoek.

In Fig. 3a tonen we de stromen van het apparaat van 2 tot 120 K met en zonder lichtverlichting, de rest wordt getoond in Additioneel bestand 1: Figuur S5. De toestanden van de LED worden afgestemd met de tijd, waarin de toestanden "AAN" en "UIT" 60 s behouden, respectievelijk. De specifieke stroomwaarden van de LED getoond in de "AAN" toestanden zijn 10, 20, 50, 100, 200, 500, 1000, 2000 en 3000 µA, respectievelijk. De meting wordt genomen bij verschillende temperaturen van 2 tot 300 K. Het inset in Fig. 3a toont condities met de drie zwakste licht (ongeveer 4–10 nW/cm²) verlichting, wat een vergelijkbare tendens met Fig. 3a aangeeft. Echter, duidelijke verschillende optische gedragingen kunnen worden gesteld met het zwakste licht, met name voor de langzamere responsnelheid en een lichte persistente fotoconductantie. Figuur 3b toont de responstijd van het apparaat bij 20 K, terwijl de stroom van de LED 2000 µA is. Opmerkelijk is dat Fig. 3c verkregen is in de omgevingsomgeving bij kamertemperatuur. Belangrijker nog, de lichtbron die we hier gebruiken zijn alle LEDs, en de waarden van lichtintensiteit zijn 4000 nW/cm² (260 nm), 558 nW/cm² (620 nm) en 14 nW/cm² (945 nm), respectievelijk. Naast de fotoresponsiviteit kunnen we uit de responsnelheden met verschillende lichtgolflengtes concluderen dat de InAsSb NWs een betere respons hebben op infrarood licht.

Figuur 3a toont dat ons apparaat een snelle en duidelijke positieve respons heeft bij verandering van LED-toestanden onder verschillende temperaturen, en de fotoconductantie neemt toe met de LED-stroom. Zonder lichtverlichting is de geleiding van het apparaat ongeveer 1,04 × 10⁻⁷ Ω⁻¹, wat overeenkomt met de uitvoertest in Fig. 2c. Bij een vaste temperatuur neemt de waarde van ΔG (gedefinieerd als de geleiding minus de donkergeleiding) bijna lineair toe met de LED-stroom die de lichtintensiteit vertegenwoordigt. Toen de lichtbron geblokkeerd werd, herstelt de stroom van het apparaat onmiddellijk naar de oorspronkelijke toestand. De maximumwaarde van ΔG in deze plot is 3,2 × 10⁻⁸ Ω⁻¹ bij 10 K. Het moet worden opgemerkt dat twee soorten fotorespons in deze plot kunnen worden onderscheiden:

1. Voor de meeste temperaturen hebben de stromen een snelle toename zodra de LED aangezet wordt, en de stromen zijn stabiel zolang de LED aan is;
2. Bij 10 K en 20 K heeft de stroom eveneens een snelle toename met lichtverlichting. Toch heeft de stroom een lichte afname met de LED aan, wat een staart in de plot achterlaat, wat niet in andere temperaturen wordt gevonden.

Om het intrinsieke mechanisme in de twee verschillende soorten fotorespons te verduidelijken, wordt de informatie over responssnelheid bij 20 K wanneer de stroom van de LED 2000 µA is, als bewijs geëxtraheerd en de specifieke waarden getoond in Fig. 3b. De responstijd [τris, vertegenwoordigend de tijdsgap van de 90% stroompiek naar de 10% stroompiek] wordt bepaald als 1,8 s, terwijl de hersteltijd (τrec, gedefinieerd omgekeerd) 2,4 s is, wat bijna constant is in het gehele temperatuurbereik. Voor 10 K en 20 K is de vertragingstijd van de "staart"-structuur ongeveer 15,7 s, wat verrassend afwezig is wanneer de verlichting van de LED-stroom kleiner is dan 500 µA. Gecombineerd met de zwakke lichtconditie in het inset van Fig. 3a, kunnen drie soorten fotorespons bij 10 K en 20 K worden gedemonstreerd. Met het zwakste licht (10–50 µA) neemt de stroom langzaam toe met de tijd. Wanneer de LED-stroom verhoogd wordt tot 100–500 µA, wordt de respons snel. Eenmaal de stroom boven 1000 µA, vormt de staart. Met andere woorden, alleen voldoende lichtintensiteit kan de transiënte "staart"-structuur activeren. Vergelijkbare "staart"-structuren zijn breed gerapporteerd in InAs NWs. De lichtbronnen in deze rapporten zijn allemaal lasers met hoge lichtintensiteit, wat consistent is met ons resultaat dat de "staart"-structuur alleen in de hoge-intensiteit lichtzones verschijnt. Ze claimen dat de "staart" komt van het achtergebleven effect dat correspondeert met het vangen en loslaten van ladingsdragers op de oppervlaktetoestanden. Voor InAsSb NWs in ons geval zijn de oppervlaktetoestanden onvermijdelijker door het severe surfactant-effect geïncormeerd met Sb. Daarom verwachten we dat de "staart"-structuur oorsprong vindt in de defecttoestanden van de tweelingstructuur die alleen elektronen vangen bij bepaalde temperaturen met voldoende sterke lichthulp.

Voor een gegeven fotodetector kan de fotoresponsiviteit worden uitgedrukt door R = Ip / (P·A), waarbij Ip de fotostroom van het apparaat is, P de lichtkracht op het apparaat, en A het effectieve oppervlak van het apparaat vertegenwoordigt. Voor ons apparaat is het effectieve oppervlak 1 mm², bepaald door de masker gebruikt tijdens de elektrodeverdamping, en het lichtontvangende oppervlak van de fotometer is 0,9 cm². Onder deze omstandigheden kan de fotoresponsiviteit van het apparaat worden bepaald als 4,25 mA/W (260 nm), 1,27 A/W (620 nm) en 28,57 A/W (945 nm), respectievelijk, wat het potentieel van het InAsSb NW sandwich-gestructureerde apparaat in infrarooddetectie verder bevestigt.

De fotodetectiviteit van een apparaat kan worden gepresenteerd als D* = R·A½ / (2e·Idark)½, waarbij R de fotoresponsiviteit van het apparaat is en e de elektronische lading. Idark vertegenwoordigt de donkerstroom van het apparaat, en de waarde is 10,8 nA. Met de onderdrukte donkerstroom in InAsSb NW sandwich-structuur, bereiken de waarden van D* van de fotodetector 7,28 × 10⁷ (260 nm), 2 × 10¹⁰ (620 nm) en 4,81 × 10¹¹ cm·Hz½ W⁻¹ (945 nm), respectievelijk. Opmerkelijk is dat de duty ratio van NWs in deze array-structuur kleiner is dan 50%, wat de werkelijke R en D* groter maakt dan het berekende resultaat. De hoge R en D* zijn niet alleen toe te schrijven aan het lichtvang-effect van het array-apparaat maar ook afkomstig van de interface-structuur. Vergeleken met de nanodraad-gebaseerde fotodetectoren samengevat in Ref. [45], heeft de bedrijfstemperatuur van 300 K voor ons apparaat superieure toepassingspotentieel in real-world scenario's. Daarnaast, bij kamertemperatuurbereik, kan de fotoresponsiviteit van ons eenvoudig-gefabriceerde InAsSb NW array-apparaat (28,57 A/W bij 945 nm) de meeste gecompliceerde NW-gebaseerde apparaten overtreffen (WSe₂/Bi₂Te₃: 20 A/W bij 980 nm, PtSe₂/perovskiet: 0,12 A/W bij 800 nm). Hoewel de interface-dipool experimenteel onbereikbaar is, kunnen de uitvoerkarakteristieken in Fig. 2 zolide bewijzen leveren voor zijn bestaan in ons apparaat. Zoals voorgesteld in de vorige discussie, kan de interfaciale laag van het apparaat functioneren als het optische dipoolrooster met lichtverlichting, wat kan bijdragen aan een grotere veldversterkingsfactor. Dit effect wordt aangeduid als interface-dipool-versterkingseffect (IDEE) in eerdere studies. De IDEE werkt voor een groter golflengtebereik dan het oppervlakte-plasmon-versterkingseffect dat alleen bestaat binnen het resonantie-golflengtebereik. Het versterkingseffect rond de interfaciale toestanden en het lichtvang-effect van het array-apparaat werken samen voor zwak lichtdetectie in ons apparaat.

De fotostroom kan worden uitgedrukt als Ip = q·g·VNW·[τ·μd/l], waarbij q de elementaire lading is, g de fotoladingsgeneratiesnelheid, VNW het NW-volume, τ de minderheidsladingslevensduur, μd de driftmobiliteit en l de NW-lengte. Deze vergelijking verduidelijkt dat de minderheidsladingslevensduur en driftmobiliteit twee sleutelparameters zijn voor de fotostroom. Het opto-elektrische proces van het InAsSb array-apparaat wordt getoond in Fig. 4c, d. Voor het importeren van het licht, vormt de elektronenoverdracht tussen Au en InAsSb NWs de donkerstroom. De gatstatussen door de interface-dipool zijn kort genoeg voor de ladingsoverdracht met voldoende impuls. In ons apparaat kunnen de interface-toestanden geïnduceerd door de native tweelingstructuur en fabricage-geïnduceerde defecten beide fungeren als vangtoestanden. Bij het aanzetten van het licht zouden de overtollige elektronen met voldoende energie en impuls gevangen worden op de interface-toestanden zoals getoond in processen I en III. De gedaalde elektronenconcentratie maakt de mobiliteit in het kanaal toenemen en verlengt de levensduur van de fotogegenereerde elektronen. Aan de andere kant verstrooien de gevangen elektronen in de interface-toestand de elektronen in het kanaal en laten de mobiliteit afnemen. De vrijgekomen elektronen zouden terugkeren naar het geleidingsband via proces IV en deelnemen aan de stroom. De elektronen met lagere energie zouden gemotiveerd worden op het geleidingsband en deelnemen aan de stroom zoals getoond in proces II. Na een tijdje zouden de elektronen recombineren met de gaten die in het valentieband overblijven zoals getoond in proces V. We kunnen twee soorten verstrooiingsprocessen in het apparaat concluderen: de vangende elektronen verstrooiingscentra en elektronen-elektronen verstrooiing in het kanaal. Meer gevangen elektronen op de interface-toestanden zouden de ladingsmobiliteit en ladingconcentratie in het kanaal verlagen. Vervolgens zou de elektronen-elektronen verstrooiing verzwakken en werken op de toename van mobiliteit op zijn beurt. Concluderend, deze twee verstrooiingsprocessen zouden samenwerken op de stroom en een extreem krijgen rond 10–20 K. Het opvallende kenmerk van deze piek is de "staart"-structuur, de stabiele pieklocatie en de persistente fotoconductantie met de ultra-zwakke lichtverlichting. Met de ultra-zwakke lichtverlichting is de geïnduceerde hoeveelheid fotonen niet voldoende om de verzadigde fotostroom onmiddellijk te bereiken. Daarom toont het apparaat een persistente fotostroom tot verzadiging. Wanneer de lichtintensiteit verhoogd wordt, boosteren de fotogegenereerde ladingsdragers de stroom en bereiken de extreme waarde binnen een korte responstijd. Het is echter gecompliceerder met hogere lichtintensiteit. De overtollige ladingsdragers boven de verzadigde toestanden raken gevangen in de interface-toestanden. Wanneer de gevangen elektronen vrijgekomen naar het geleidingsband, neemt de concentratie weer toe. De toenemende elektronen-elektronen verstrooiing laat de stroom dalen, wat aangeduid wordt als een achtergebleven effect, en creëert de "staart"-structuur.

Voor de tweede piek rond 100–120 K, is een vergelijkbare piekverschuiving gerapporteerd in de Bi₂Te₃-film. Onze analyse wijst op het bestaan van hercombinatiecentra in dit temperatuurbereik. Het intrinsieke mechanisme is vergelijkbaar met Bi₂Te₃, beide gerelateerd aan het evenwicht van fotostroom (Ip) en donkerstroom (Id). In ons geval is Id bijna constant in het hele meet-temperatuurbereik. Ip wordt bepaald door de minderheidsladingslevensduur en driftmobiliteit. Opmerking: deze twee parameters van InAsSb NWs hebben tegengestelde afhankelijke relaties met temperatuur. Voor de minderheidsladingslevensduur, nemen thermisch geëxciteerde donkerladingsdragers toe met de temperatuur evenals de hercombinatiesnelheid van de fotogegenereerde ladingsdragers. Daarom is de minderheidsladingslevensduur omgekeerd evenredig met temperatuur. De driftmobiliteit is evenredig met temperatuur omdat de hoge temperatuur het thermische excitatie-effect in de NWs oproept. De piek ontstaat wanneer Ip en Id evenwicht bereiken bij een bepaalde temperatuur, wat ongeveer 100–120 K is. Met een hogere lichtintensiteit zou een grotere hoeveelheid fotogegenereerde ladingsdragers meer thermisch geëxciteerde ladingsdragers bij een hogere temperatuur nodig hebben om evenwicht te vereisen. Daarom verschuift de tweede piek naar een hogere temperatuur wanneer de lichtintensiteit toeneemt. Figuur 4b toont de lichtintensiteitsafhankelijke fotoconductiviteit van het InAsSb NW-apparaat, waar de ΔG-waarden niet genormaliseerd zijn. Zoals te zien is, neemt de lichtintensiteit van de LED strikt lineair toe met de invoerstroom (zie Additioneel bestand 1: Figuur S6). Dit resultaat vertegenwoordigt dus de relatie tussen de fotorespons en de lichtintensiteit, wat het potentieel van het InAsSb NW-array-apparaat in optische vermogensmeter demonstreert.

Conclusies

Samenvattend, de sandwich-gestructureerde fotodetector gebaseerd op InAsSb NW-array heeft een voortreffelijke optische prestatie bereikt door de MIGS geïnduceerd door de eindaangebonde contact. Interface-dipool en gatstatussen onderdrukken de donkerstroom en versterken de detectiecapaciteit van het apparaat. De native defecten en fabricage-geïnduceerde defecten in het apparaat fungeren als interface-toestanden om de optische eigenschappen te moduleren. Zelfs met ultra-zwakke lichtverlichting (4–20 nW/cm²) toont het apparaat duidelijke fotorespons bij kamertemperatuur. De respons op LEDs met verschillende golflengtes wijst erop dat het InAsSb NW-array-apparaat de sterkste respons heeft op infrarood licht (945 nm). De fotoresponsiviteit en fotodetectiviteit zijn 40 A/W en 7 × 10¹¹ cm Hz½ W⁻¹, respectievelijk. Deze resultaten bevestigen dat de sandwich-structuur in deze studie de herhaalbaarheid en betrouwbaarheid van NW-apparaten begunstigt, wat de weg baant voor de fabricage van NW-gebaseerde apparaten. Belangrijkste is dat het apparaat in een omgevingsomgeving bij kamertemperatuur kan werken, wat een grote doorbraak is voor infrarooddetectie.

Beschikbaarheid van data en materialen

Alle data zijn volledig beschikbaar zonder beperking. De datasets gebruikt en/of geanalyseerd tijdens de huidige studie zijn beschikbaar bij de corresponderende auteur op redelijke aanvraag.

Afkortingen

MBE:

Moleculaire bundel-epitaxie

1D:

Eendimensionaal

NW:

Nanodraad

BEP:

Bundel-equivalente druk

VS:

Damp-vast

VLS:

Damp-vloeistof-vast

EBL:

Elektronenbundel-lithografie

RIE:

Reactieve ionen-etching

WZ:

Wurtziet

ZB:

Zincblende

BFTEM:

Helder-veld scanning elektronenmicroscopie

HRTEM:

Hoge-resolutie transmissie-elektronenmicroscopie

SAED:

Geselecteerd gebied elektronen-diffractie

EDS:

Energie-dispersieve spectroscopie

MIGS:

Metaal-geïnduceerde gattoestand

IDEE:

Interface-dipool-versterkingseffect

LED:

Lichtemitterende diode