中国科大在氮化镓半导体 p-n 异质结中实现独特的光电流极性反转

近日，中国科学技术大学微电子学院龙世兵教授、孙海定研究员团队在氮化镓（GaN）半导体 p-n 异质结中实现了独特的光电流极性反转（即双向光电流现象）。

中国科大消息显示，过去两年多来，团队利用分子束外延（MBE）技术所制备的高晶体质量氮化镓（GaN）纳米线，构建了应用于日盲紫外光探测领域的光电化学光探测器。更进一步，详细讨论了 GaN 基 p-n 结纳米线内部的电荷转移动力学，并通过在半导体纳米线表面修饰贵金属纳米颗粒，实现了电荷转移动力学的可控调制及高效紫外光探测。

据悉，基于前期的工作积累，研究人员从 GaN 基半导体 p-n 异质结能带结构设计，MBE 外延工艺探索及纳米线形貌调控出发，结合 DFT 第一性原理理论计算优化及半导体表面金属铂（Pt）纳米颗粒定向修饰，成功构建了基于 p-AlGaN/n-GaN 异质 p-n 结的光谱可分辨型光电探测器 [Nature Electronics 2021, 4, 645-652]。

在固定偏压下，该器件在两种不同波长光的照射下展现出独特的光电流极性反转现象：在 254nm 光照下光电流为负电流，而在 365nm 光照下光电流为正电流。具体来说，为实现光电流极性反转，特殊设计的顶部 p-AlGaN 被用于与底部 n-GaN 共同吸收波长 254 nm 的光。在 254nm 光照射下，p-AlGaN 和 n-GaN 中同时产生电子-空穴对。其中，p-AlGaN 在电解质溶液中向下的表面能带弯曲有利于其中的光生电子向纳米线表面漂移，驱动质子还原反应，而光生空穴则向 p-n 结中的空间电荷区域迁移，与 n-GaN 产生的光生电子隧穿复合。与此同时，n-GaN 中的光生空穴流经外电路，表现出负的光电流信号。

而当纳米线暴露在 365nm 光下时，因 p-AlGaN 不吸收 365nm 光照，仅有 n-GaN 吸收 365nm 光照后产生光生电子-空穴对。而后，由 n-GaN 在电解质溶液中呈现的向上表面能带弯曲作为驱动力，促使 n-GaN 中的光生空穴漂移到纳米线/溶液界面并进行水氧化反应。同时，在表面能带弯曲和 p-n 结内建电场共同作用下，电子向外电路漂移，被记录为正的光电流。更进一步，理论计算证实：通过在半导体 p-AlGaN 表面修饰贵金属 Pt 纳米颗粒可以有效改善氢吸附自由能并提高光电化学光探测过程中的光生载流子分离效率。

据此，研究人员利用光化学还原法，成功在纳米线 p-AlGaN（000-1）晶面定向修饰 Pt 纳米颗粒。最终，在固定偏压下，研究人员成功观察到在不同波长光照下 GaN 基 pn 结纳米线中的光电流极性反转现象。

据介绍，该新型器件架构不仅克服了传统固态 p-n 结光电探测器的功能限制，通过改变半导体材料本身带隙（如组分调控等手段），还可以实现从深紫外到近红外全光谱响应覆盖，有望为便携式光谱仪、液体环境（如水下，生物体内）光电探测和传感、高分辨率多通道光电传感器/成像设备、光控逻辑电路等未来新学科交叉领域带来新的应用突破。