垂直单纳米线的红外光电特性

Among the low-dimensional semiconductor structures, nanowire is the most efficient photo-coupling structure. Also the one-dimensional structure of nanowire is an ideal transmission path for the carriers (electrons and holes). All of these make the semiconductor nanowire to be a competitive candidate for photoelectric applications, especially for the photodetecotrs. As is known from the latest published works, the surface state of nanowire is the key parameter to determine the relaxation of nonequilibrium carriers; also, considering that the background carrier concentration reaches a high level in the narrow bandgap nanowires, the potential application of nanowire in photoelectric devices is actually limited. This project is to aim at the exploration of the carrier dynamics and transport properties of nanowires, and to clarify the mechanism of photo-coupling of nanowire arrays. Furthermore, we will try to figure out and solve the factors that restrict the improvement of nanowire’s quantum efficiency and infrared photoresponsivity, based on which, the efficient response nanowire detectors can be expanded to light with wavelength near 3 μm.

在光耦合和电子输运两个层面上，半导体纳米线都是理想的光电功能结构，其亚波长光敏结构的新颖增益机制锲合了当前红外光电探测技术高分辨、高灵敏度的发展需求。从兼容红外焦平面技术的角度，垂直状态的外延纳米线是更合适的光敏单元，然而到目前为止，对纳米线垂直阵列红外探测能力的开发仍受困于低的增益和信噪比。. 为此，项目基于前期在III-V族纳米线的外延生长、光电特性和单纳米线器件方面的研究积累，提出对单个垂直纳米线的红外光电行为进行考察，结合光谱、微结构等实验手段和数值理论分析，揭示窄带隙纳米线中主导少数载流子寿命和暗电流特性的微观机制；进而通过对纳米线生长及表面处理工艺的优化、二维纳米线共振腔模的设计，将纳米线垂直光电探测的潜在优势拓展至有着更迫切技术需求的红外波段；并通过对波长3微米左右红外光的低噪声、高量子效率响应实现效应验证。

项目背景：半导体纳米线在光耦合和电子输运两个层面上都是理想的光电功能结构。从兼容红外焦平面技术的角度，垂直状态的外延纳米线是更合适的光敏单元，然而到目前为止，对纳米线垂直阵列红外探测能力的开发仍受困于低的增益和信噪比。.主要内容：项目完成了从GaAs及InAs纳米线的外延生长、宽谱段增强吸收的理论分析到单纳米线的电学和红外光电特性研究等计划内容。.重要结果：1）GaAs纳米线阵列的宽谱段低反射和高效光吸收。Au催化分子束外延生长的GaAs无序纳米线阵列在550nm至1150nm的宽波段均展现了极低的反射率和透射率（<7%），通过FDTD模拟复现纳米线阵列的反射谱，揭示了无序GaAs纳米线阵列可见－近红外宽谱段增强吸收的结构起源。.2）发现GaAs单纳米线中无序引起的强局域现象。设计了不同条件下Au催化分子束外延生长的GaAs纳米线阵列，利用导电原子力显微技术（Conductive-AFM），结合高分辨电镜成像，发现了由局部的结构无序引起的纳米线电阻率随长度指数增加的强局域现象。对纳米线层错电子结构的计算以及时间分辨光谱对无序相关的局域态跃迁动力学的实验观测，为半导体纳米线Anderson强局域电导机制提供了新佐证。这是首次在半导体材料中发现这类Anderson局域输运机制，也证实了相对于高维度的材料，一维结构中更易于形成载流子的强局域效应，从而成为阻碍光生载流子高效收集的主导因素。.3）获得垂直纳米线的高增益红外响应。在对垂直单纳米线的电学特征和纳米线阵列光学特性研究的基础上，项目将目标指向垂直单纳米线的光电性能上，得益于纳米线完美光吸收、超高光电增益等优势得以释放，最优条件下单根GaAs纳米线对808nm近红外光的响应率达到1E3 A/W；同时InAs单纳米线在室温下对短波红外激发的响应率也达到10 A/W以上。在垂直纳米线阵列的光电探测性能验证方面，基于Anderson-localization-free 的GaAs 纳米线阵列制备的原型器件获得了240 A/W的室温响应率，在光谱响应范围和增益方面，都远高于同类材料的PIN商用探测器件。.项目已经发表标注资助的SCI论文4篇。申请和授权发明专利各1项。培养3名研究生。