面向光电子集成的高性能硅基III-V族纳米线红外光电探测器

Semiconductor nanowires are promising building blocks for future nano-photonic and nano-electronic devices. This project will investigate the controllable growth of III-V nanowires on Si substrate, which including control over growth direction, crystal structure and axial/radial growth. With innovation on nanowire bridge and connection, the large contact resistance of the nanowire electrode can be reduced. Finally, high performance Si-based III-V nanowire infrared photodetector with high coupling efficiency, high speed and high sensitivity would be realized, based on growth of high crystal quality and vertical-aligned heterostructured nanowire arrays and the low resistance connections between the nanowires.

半导体纳米线由于其独特的一维量子结构，被认为是未来纳电子和纳光子器件的基本结构。本项目研究利用缓冲层调节晶体材料集成中的晶格失配应力，探索硅衬底上III-V族纳米线的可控生长（包括纳米线的生长方向和晶体结构的控制、以及轴向和径向异质结的生长等）；并采用新的纳米线桥接互联方案，以解决纳米线电极对光的遮挡和接触电阻大的问题；从而实现高晶体质量和垂直排列的异质结纳米线阵列生长、以及纳米线之间的低电阻互联；在此基础上研制兼具高耦合效率、高速和高灵敏度的硅基III-V族纳米线红外光电探测器。

利用自主搭建的MOCVD设备生长出垂直排列的III-V族纳米线阵列，实现了纳米线阵列取向和形貌的可控生长；实现了纳米线在衬底侧壁的横向有序生长，为纳米线之间、纳米线与衬底互联生长提供了良好的基础。在硅衬底上实现InAs纳米线的大规模、有序排列，并研制了单根“芯-包层”InAs/InP纳米线晶体管阵列。分析了InP包层对InAs/InP“芯-包层”纳米线表面态的钝化作用，通过调节包层厚度，实现对晶体管能带的调制，增加了纳米线的电子迁移率。研制了InAs/InP“芯-包层”纳米线气体传感器，其对NO2气体有良好的响应和可重复性。研制了InAs/InP“芯-包层”纳米线的光电探测器，其具有良好的光电响应。此外，研制一款金属毛细管光度计，检测能力提升三千多倍，并实现了高灵敏度的葡萄糖、油水以及凝血酶的检测；研发出一款光学微流控生物传感器，与美国通用电气公司的Biacore SPR设备相比，检测精度提高了2个数量级；研发出一款应变膜光纤压力传感器，检测灵敏度比国际同类产品高出1个数量级。