GaNxSb1-x纳米线的生长、表征及其在柔性多谱段红外探测器件中的应用

In the past decades, more and more research attentions have been attracted to high-performance infrared detectors owing to their important roles in the national defense and civilian fields. Many current infrared detectors are typically fabricated from the toxic HgCdTe materials. Until recently, III-V compound semiconductors are considered as the better alternatives for room-temperature infrared detectors due to their appropriately narrow band gap, high carrier mobility and respectable thermal conductivity. Among all promising candidates, the band gap of GaNxSb1-x can be controllably tuned from 1.8 μm to 15 μm by only varying the composition of only 5% in nitrogen, which can span the entire infrared spectra. In this proposal, high-quality GaNxSb1-x nanowires will be prepared by using chemical vapor deposition process along with the detailed growth mechanism investigation in order to control their physical properties. Finally, high-performance, room-temperature, multispectral and mechanically flexible infrared detectors will be fabricated based on the successful growth of these band gap-tunable GaNxSb1-x nanowires.

近年来，半导体红外探测器由于其在国防及民用领域的重要作用而受到各国及科学家们的高度重视。现有的红外探测器大多都是基于有毒性的碲镉汞（HgCdTe）材料而研发。与此同时，三五族（III-V）半导体由于其窄带宽、高载流子迁移率以及适中的热传导系数等优点，被认为在实现室温红外探测器领域比传统的HgCdTe材料具有更大的研究优势。在众多的III-V半导体中，GaNxSb1-x材料只需5%以内的N含量就可以实现能带宽度在1.8～15μm红外波段连续可调。针对室温下高灵敏纳米线红外探测器这一国际前沿性研究课题，本项目以带宽连续可调的高载流子迁移率GaNxSb1-x半导体纳米线为基础，从理清化学合成－晶体结构－光电转换之间的内在关联入手，采用晶体学、光谱学、电子学等系列表征测试手段，结合先进的纳米制造技术，为成功制备室温高灵敏柔性纳米线红外探测器奠定基础。

半导体红外探测器因为在国防军事及民用领域的重要作用而受到各国及科学家们的高度重视。如在军事上可用于微光夜视系统、情报和侦察（ISR）等方面。在民用方面可用于安防、农业监测、对地观测等方面。如今常用的红外探测器还是以有毒性的碲镉汞（HgCdTe）材料为主研发的。而与此同时，三五族（III-V）半导体由于其窄禁带宽度、高载流子迁移率以及适中的热传导系数等优点，所以被认为在实现室温红外探测器领域比传统的HgCdTe 材料具有更大的研究优势。目前大部分的III-V半导体纳米线都是通过分子束外延（MBE）或者金属有机化合物化学气相沉积（MOCVD）在单晶衬底上外延或者催化生长，设备和材料的成本高昂，同时产生的废气毒性较大，对环境造成严重污染。本项目基于传统简单的双温区固相源化学气相沉积，其设备和材料成本低廉。以氨气为氮源，利用金催化蒸汽-液体-固体（VLS）生长机制，开发出了两步法合成工艺以及硫表面钝化剂辅助的化学气相沉积工艺，制备出高质量、高密度且较长的GaNxSb1-x纳米线。同时利用晶体学、电子学及光学的表征手段优化了GaNxSb1-x纳米线的合成参数。采用微纳加工技术制备出底栅场效应晶体管(FET)类型红外光电探测器，并评估了其电学以及光电转换特性。利用该方法制备出的红外探测器件在重要的红外通信波段1550纳米的激光照射下，单根GaNxSb1-x纳米线器件可以实现6890 AW-1的高响应度，以及快速的112 μs响应和149 μs衰减时间。此外，将该方法与硫磺表面活性剂相结合，可以制备出直径较小且均匀无锥状的纳米线，并显著提高GaNxSb1-x纳米线场效应晶体管的空穴迁移率以及电流开关比。最后，将纳米线通过接触印刷法制备出超快响应的柔性纳米线红外光电探测器。本项目开发的半导体生长工艺有利于实现性能良好的GaNxSb1-x合金纳米线的大规模生产，并为场效应晶体管和光电探测器提供应用前景。