Photoelektronische Eigenschaften eines endverbundenen InAsSb-Nanodraht-Array-Detektors bei schwachem Licht

Einführung

Als wichtiger Zweig von III-V-Halbleitern mit schmaler Bandlücke hat InAsSb die von InAs geerbten Vorteile wie eine geringe effektive Elektronenmasse und eine hohe Elektronenmobilität [1, 2]. Wenn das Sb-Element in InAs eingeführt wird, könnte die Grenzwellenlängenantwort von ternärem InAsSb aufgrund des Bandgap-Bowing-Effekts auf den langwelligen Infrarotbereich ausgedehnt werden [3]. Folglich gilt InAsSb als idealer Kandidat im Bereich der Infrarotdetektion [4,5,6]. Auf dem Gebiet der Optoelektronik haben eindimensionale (1D) Nanostrukturen [7] enorme einzigartige Eigenschaften, darunter eine große Oberfläche mit zahlreichen Fallenzuständen, eine lange Weglänge für die Photonenabsorption und eine mechanisch flexible Struktur aufgrund ihrer enormen Aspektverhältnisse [8]. Darüber hinaus können 1D-Nanostrukturen während ihrer Entwicklung die Gitterfehlanpassung zu Substraten leicht lösen und wiederum eine hohe Kristallqualität erreichen [9]. Dabei stoßen die Anwendungen der Optoelektronik wie Photodetektoren [10], Solarzellen [11] auf Basis von 1D-Nanostrukturen auf enormes Forschungsinteresse. Unter ihnen wurden die maßgeschneiderten Bauelementstrukturen [12] entwickelt, um eine optimierte Lichtabsorption und Breitband-Lichternte zu erreichen, wodurch 1D-Nanostrukturen für verschiedene Anwendungsszenarien geeignet werden und kompatible Komponenten zu siliziumbasierten integrierten Schaltkreisen erhalten werden. Kürzlich haben Photodetektoren, die auf einzelnen InAs-NWs basieren, ihr Potenzial bei der Infrarotdetektion gezeigt [13]. Mit der Zugabe von Sb kann ternäres InAsSb über das breite Spektrum für die Raumtemperaturerfassung zugänglich sein [14]. Mit der Passivierung von Al₂ O₃ , Detektoren auf Basis von InAsSb-NWs haben eine unkühle Detektion im mittleren Wellenlängen-Infrarotspektrum erreicht [15]. Konventionelle Lichtquellen, die in diesen Studien weit verbreitet sind, sind jedoch hochintensive Laser, und die meisten dieser Geräte können nicht bei Raumtemperatur betrieben werden [16]. Außerdem ist die herkömmliche auf NWs basierende Vorrichtungsstruktur für die Massenanwendung in kompatiblen integrierten Schaltungen nicht geeignet. Es gibt drei Haupttypen von traditionellen Detektoren, die auf InAsSb-NWs basieren, darunter einzelne NW-Geräte [17], in InAs-NWs eingebettete Quantentöpfe [3] und vertikale einzelne NW-Geräte [14]. Alle von ihnen erfordern kostspielige Nanofabrikationsverfahren, wie Elektronenstrahllithographie (EBL) und reaktives Ionenätzen (RIE). Hier ist die Innovation in der Struktur des Geräts für die Anwendung von NWs dringend erforderlich.

Die Schnittstelle spielt trotz der begrenzten Größe immer eine entscheidende Rolle für die optische und elektrische Leistung des Geräts, sodass die Kontakttechnik in NW-basierten Geräten ein weiterer wesentlicher Faktor ist [18]. Beispielsweise wurde eine Solarzelle mit ausgezeichneten omnidirektionalen Photodetektionseigenschaften für schwaches Licht in der Hybridstruktur unter Verwendung der Grenzfläche zwischen Graphen-Quantenpunkten und Polystyrolsulfonat erreicht [19]. In dieser Studie modulieren wir die optoelektrische Leistung des Geräts unter Verwendung der Bandstruktur an der Grenzfläche zwischen Elektrode und Halbleiter. Die Ladungsumverteilung findet an der Metall-Halbleiter-Grenzfläche statt, und der Ladungstransfer findet zwischen Metall und den Schwänzen der Metallwellenfunktionen in den Halbleiter statt. Die Umverteilung wird als MIGS bezeichnet, die Lückenzustände und Grenzflächendipol an den Grenzflächenzuständen induzieren könnte [20]. Die Simulationsergebnisse des MIGS-Modells weisen jedoch immer noch Abweichungen zwischen den Experimenten auf, die als Folge von Grenzflächendefekten, fabrizierten induzierten Defekten und Fermi-Level-Pinning angesehen werden [21]. Insbesondere für InAsSb-NWs mit reichen Oberflächenzuständen ist das Fermi-Niveau-Pinning unvermeidlich, so dass die induzierten Lückenzustände den Ladungstransfer filtern würden. Auf diese Weise konnte der Dunkelstrom des Gerätes in einem akzeptablen Bereich unterdrückt werden. Darüber hinaus könnte der Grenzflächendipol die Lichtanregung im lokalen Feld verstärken, die für die Schwachlichtdetektion wesentlich ist. Basierend auf der Diskussion von Chu. et.al. erreichen die endgebondeten Übergänge eher die Zustandsüberlappung zwischen Metall und Halbleiter als die planar-gebondeten Übergänge [18]. Jedoch ist die endverbundene Vorrichtung über einzelne NW mit den Hindernissen bei der Herstellung konfrontiert. Hier finden wir eine Lösung, indem wir NW-Arrays verwenden, um den endverbundenen Kontakt zwischen NWs und Metall zu erreichen. Im Vergleich zu herkömmlichen Photodetektoren haben die Sandwich-strukturierten NW-Array-Bauelemente die Vorteile einer einfachen Herstellung und einer hohen Anpassungsfähigkeit an die Umgebung [22, 23]. Der Füllstoff (AZ5214), der während des Herstellungsprozesses um die NWs schleuderbeschichtet und gebacken wird, macht das Gerät stabiler und antioxidativ gegenüber der Umgebung. Wenn das Licht in das NW-Array eingeführt wird, wird es mehrmals in verschiedene Richtungen reflektiert und gebrochen, wodurch die Lichtabsorption im Inneren verstärkt wird [24, 25]. Der verlängerte Lichtweg im NW-Array wird als Light-Trapping-Effekt bezeichnet [26, 27], der in NW-basierten Array-Geräten weit verbreitet ist. Sowohl die Bandstruktur als auch die Gerätestruktur verleihen dem Gerät Potenzial für die Schwachlichterkennung bei Raumtemperatur.

In dieser Studie haben wir das NW-Array-Gerät basierend auf den durch MBE (Molekularstrahlepitaxie) gezüchteten InAsSb-NWs hergestellt. Die durch den Metall-Halbleiter-Kontakt induzierten Lückenzustände und Grenzflächendipol könnten den Dunkelstrom unterdrücken und die Lichtdetektion separat verstärken [28]. Der Lichteinfangeffekt der Sandwichstruktur des NW-Arrays trägt zur Schwachlichtdetektion bei [29]. Unterdrückter Dunkelstrom bei Raumtemperatur minimiert das Detektionsrauschen stark und ermöglicht die Detektion bei Raumtemperatur [30]. Die Struktur der Härtungsvorrichtung macht die Vorrichtung in der Lage, bei Umgebungsbedingungen zu arbeiten. Außerdem schwankt die Lichtempfindlichkeit des Geräts mit der Temperatur, da die komplizierten Grenzflächenzustände vorweggenommen werden. Bei konstanter Temperatur steigt der Wert des Photostroms linear mit der einfallenden Lichtintensität, was das Potenzial für den optischen Leistungsmesser demonstrierte.

Methoden/Experimental

InAsSb-NWs wurden auf GaAs {111}B-Substraten unter Verwendung des MBE-Systems (Riber 32 R&D) mit einem in-situ-Au-Verdampfungssystem gezüchtet. Das epibereite Substrat wurde vorbehandelt, um die Kontamination zu entfernen. Dann wurde eine GaAs-Pufferschicht bei 540 °C für 15 Minuten abgeschieden und die Au-Nanopartikel wurden durch den Verdampfungs- und Glühprozess gebildet. InAs-Stängel wurden 20 Minuten lang gezüchtet, wobei die Temperatur konstant auf 380 °C gehalten wurde, und dann wurde die Sb-Quelle für 60 Minuten in die Wachstumskammer eingeführt. Während des NW-Wachstums wurde der In BEP (Beam Equivalent Pressure) bei 2,7 × 10 ^–7 . gehalten mbar betrug der As BEP 2,2 × 10 ^–6 mbar und der Sb BEP betrug 7 × 10 ^–7 mbar, was zu einem V/III-Flussverhältnis von ~ 11 und einem Sb/As-Verhältnis von ~ 0.3 führt.

Für die Geräteherstellung wurde AZ5214 (Photoresist) als Stützmittel verwendet, um die Orientierungen der NWs beizubehalten. Dann wurde das NW-Array mit dem Substrat mit AZ5214 bei 3000 U/min 30 s lang schleuderbeschichtet und 2 min bei 120 °C gebacken. Das Gel AZ5214 ist transparent, was den Lichtverlust während der Messung minimiert. Um die Spitzen der NWs freizulegen, wurde die Oberfläche des Arrays mit einem Präzisionsscherungsmesser (Logitech) poliert. Die während des NW-Wachstums über den VS (Dampf-Feststoff)-Mechanismus auf der Substratoberfläche gebildeten InAsSb-Schichten können als Drain-Elektrode fungieren. Gemäß der Hall-Messung von InAsSb-Epi-Schichten (gezeigt in Zusatzdatei 1:Abbildung S1) beträgt die Trägerkonzentration bei Raumtemperatur etwa 2 × 10 ¹⁷ cm ⁻³ , während die Mobilität etwa 1,6 × 10 ⁴ . beträgt cm ² /(V·s) bei Raumtemperatur. Danach wurde auf den ausgewählten Bereichen ein Au-Film mit einer Nenndicke von 8 nm abgeschieden, einer davon oben auf dem Array und der andere auf der Epi-Schicht. Die geringe Dicke des abgeschiedenen Au gewährleistet die Photopermeabilität der Elektrode und einen akzeptablen Lichtverlust während der Messungen.

Die morphologischen, chemischen und strukturellen Eigenschaften der erhaltenen InAsSb-NWs wurden mit SEM (FE-SEM, JEOL 7800F) und TEM [TEM, Philips Tecnai F20, ausgestattet mit energiedisperser Spektroskopie (EDS) zur Zusammensetzungsanalyse] untersucht. Einzelne NWs für die TEM-Analyse wurden hergestellt, indem die NW-Proben in Ethanol mit Ultraschall behandelt und auf die von Kohlenstofffilmen getragenen Cu-Gitter dispergiert wurden.

Die Photoleitfähigkeitsmessungen wurden in einem Helium-Cryostat mit geschlossenem Kreislauf durchgeführt, der mit LEDs als Lichtquellen ausgestattet war. Die Temperatur kann bei diesem System zwischen 2 K und Raumtemperatur stufenlos moduliert werden, während die Lichtintensität von LEDs einfach über den Eingangsstrom abgestimmt werden kann. In dieser Studie wurden LEDs mit verschiedenen Wellenlängen einschließlich 260 nm, 620 nm und 945 nm verwendet. Die Lichtintensität von LEDs hängt sowohl von der Temperatur als auch vom Eingangsstrom ab. Die Intensität nimmt mit der Stromstärke linear zu und mit der Temperatur ab. Die Werte der Lichtintensität bei Raumtemperatur bei dieser Messung betragen 4000 nW/cm ² für 260 nm, 558 nW/cm ² für 620 nm und 14 nW/cm ² für 945 nm. Die entsprechenden Informationen zur Lichtintensität finden Sie in Ref. [30]. Eine konstante Spannung V_DS = 100 mV wurde zwischen Source und Drain angelegt. Die Photoleitfähigkeitsantwort kann durch Einstellen des EIN/AUS der LEDs erreicht werden.

Ergebnisse und Diskussion

Abbildung 1 zeigt elektronenmikroskopische Untersuchungen der InAsSb-NWs. Abbildung 1a ist ein SEM-Bild mit geneigter Ansicht, das die Durchmesser der NWs im Bereich von 100 bis 200 nm und die Länge im Bereich von 6 bis 8 μm zeigt. Abbildung 1b zeigt ein Hellfeld-(BF)-TEM-Bild eines typischen einzelnen NW, das auf eine klassische sich verjüngende Struktur hinweist. Entlang seiner axialen Richtung zeigt die Zusammensetzung des NW eine moderate allmähliche Änderung und die durchschnittliche Sb-Konzentration ist hoch bis zu 30%, basierend auf unserer quantitativen EDS-Analyse (Details in Zusatzdatei 1:Abbildung S2). Abbildung 1c zeigt das HRTEM-Bild des mittleren Teils des NW, das die Existenz der Zwillingsebenen bestätigt. Das in Fig. 1d gezeigte Selected Area Electron Diffraktion (SAED)-Muster verifiziert auch die Zwillingsstruktur, und es können zwei Sätze von ZB (Zinkblende)-strukturierten Beugungen unterschieden werden. Das Sb-Element kann als Tensid verwendet werden und unterdrückt die WZ-Phase (Wurtzit) von InAs-NWs [31], was den Strukturphasenwechsel von WZ zu ZB begünstigt. In unserem Fall beträgt das V/III-Verhältnis ~ 11, was zu einer V-reichen Umgebung führt, die die Keimbildung der ZB-Struktur begünstigt [32], aber einige Zwillingsebenen hinterlässt. Die Untersuchung der Zwillingsstruktur in InAsSb-NWs behauptete, dass die Verschiebung an der Grenze eine ungleichmäßige lokale Sb-Verteilung verursachen würde [12], was die Elektronenstreuung oder das Einfangen von Ladungsträgern begünstigt [33].

Fortgeschrittene elektronenmikroskopische Untersuchungen an InAsSb-NWs. a Ein SEM-Bild mit geneigter Ansicht der NWs. b Hellfeld (BF)TEM-Aufnahme eines einzelnen NW. c Hochauflösendes TEM (HRTEM)-Bild, aufgenommen aus der Mitte des NW aus der markierten Region in b . d Entsprechendes SAED-Muster (Selected Area Electron Diffraction) aus c

Die Gerätestruktur ist in Fig. 2a dargestellt, in der der Au-Film die Ober- und Unterseite des Arrays bedeckt. Das SEM-Bild des Geräts ist in Additional file 1:Figure S3 gezeigt, wobei die verbleibende Länge etwa 3 µm beträgt und fast alle NWs integriert sind. Der Fotolack wird verwendet, um die NWs orientiert zu halten und die NWs in eine Härtungsvorrichtung zu integrieren; Auf diese Weise ist das Gerät antioxidativer und für die Anwendung geeignet. Die sich verjüngende Struktur wird in amorphen Silizium-NWs-Array-Geräten verwendet, zeigt eine verbesserte Absorption und ist unempfindlich gegenüber dem Einfallswinkel [34]. Abbildung 2b ist eine Kartenskizze der Au-InAsSb-Schnittstelle, die durch das MIGS-Modell bestimmt wurde. Abbildung 2c, d bestätigt eine nahezu konstante Leitfähigkeit unabhängig von der Temperatur, und der Wert der Leitfähigkeit beträgt etwa 1 × 10 ^–7 Ω ⁻¹ . Die I-V-Kurven bei 2 K und 300 K ohne Lichteinfall sind in Abb. 2d dargestellt. Der einzelne Nanodraht hat einen viel größeren Wert des Leitwerts, der in Zusatzdatei 1:Abbildung S4 gezeigt wird. Das Array-Gerät entspricht einer Parallelschaltung, die durch Tausende von einzelnen NWs verbunden ist, so dass der theoretische Leitwert einen viel beträchtlicheren Wert hätte haben sollen. Darüber hinaus haben wir zwei grundlegende Kenntnisse über die Leitwert-bezogenen Fragen:(1) Der Leitwert einzelner NW zeigt eine starke Abhängigkeit von der Temperatur; (2) die Array-Geräte aus InAs-NWs in unserer Studie haben ebenfalls eine konstante Leitfähigkeit. Daraus schließen wir, dass der Kontakt zwischen dem Metall und dem Halbleiter in diesem Gerät einen beträchtlichen Widerstand hat, der die gesamten Ausgangseigenschaften dominiert.

Struktur und elektrische Eigenschaften des InAsSb NW-Array-Bauelements. a Kartenskizze des Geräts mit dem REM-Bild im Einschub. b Das Energiediagramm der Au-InAsSb-Grenzflächenzustände. c  Der temperaturabhängige Leitwert des Gerätes. d I–V-Kurven bei 2 K bzw. 300 K ohne Licht

Wenn Au in den InAsSb-NWs über einen endgebundenen Kontakt verbunden wird, findet der Ladungstransfer an der Grenzfläche über die Schwänze der Metallelektronen-Wellenfunktionen statt, die als Kontinuum von MIGS bezeichnet werden [18]. Die Ladungsumverteilung an der Grenzfläche erfolgte, sobald die Kontaktformen dazu führten, dass sich auch Grenzflächendipole entwickeln [35]. Nach dem MIGS-Modell wird die Grenzschichthöhe bestimmt durch \({\Phi}_{\mathrm{Au}}\) (die Austrittsarbeit des Metalls), \({\Phi}_{\mathrm{NW }}\) (die Elektronenaffinität des InAsSb NW) und \({\Delta}_{i}\) (der Spannungsabfall aufgrund eines Grenzflächendipols, der bei der Bildung der Grenzfläche auftritt). Der \({\delta}_{i}\) ist der Abstand der durch das Metall induzierten Lückenzustände. Der elektronische Zustand wird in Abb. 2b angezeigt. Der Grenzflächendipol könnte eine zusätzliche Barriere für Elektronen bilden [36], jedoch ist der Effekt auf einen Bereich von \({\delta}_{i}\) beschränkt. Vor allem die intrinsischen Eigenschaften des Gerätes werden durch den großen parasitären Übergangswiderstand moduliert [37]. Bei unserem Gerät verringert der große Übergangswiderstand den Dunkelstrom effektiv, wobei der Wert temperaturunabhängig ist. Auf diese Weise kann die Ladungsträgerkonzentration auf einen für die Lichtdetektion günstigen Bereich eingeschränkt werden. Der Mechanismus des Kontaktwiderstands aufgrund des bei verschiedenen Temperaturen konstanten Grenzflächendipols bleibt jedoch eingehender erforscht.

In Abb. 3a zeigen wir die Ströme des Geräts von 2 bis 120 K mit und ohne Lichtbeleuchtung, der Rest wird in Zusatzdatei 1 angezeigt:Abbildung S5. Die Zustände der LED werden mit der Zeit abgestimmt, in der die Zustände "ON" und "OFF" 60 s lang beibehalten würden. Die spezifischen Stromwerte der LED, die im „ON“-Zustand angezeigt werden, sind 10, 20, 50, 100, 200, 500, 1000, 2000 bzw. 3000 uA. Die Messung erfolgt bei unterschiedlichen Temperaturen von 2 bis 300 K. Der Einschub in Abb. 3a zeigt Bedingungen mit den drei schwächsten Lichtverhältnissen (ca. 4–10 nW/cm ² ) Beleuchtung, was eine ähnliche Tendenz wie in Abb. 3a anzeigt. Bei schwächstem Licht lassen sich jedoch offensichtlich unterschiedliche optische Verhaltensweisen feststellen, insbesondere für die langsamere Reaktionsgeschwindigkeit und eine etwas anhaltende Photoleitfähigkeit. Abbildung 3b zeigt die Reaktionszeit des Geräts bei 20 K, während der Strom der LED 2000 μA beträgt. Es ist erwähnenswert, dass Abb. 3c in der Umgebung bei Raumtemperatur erhalten wird. Noch wichtiger ist, dass die hier verwendete Lichtquelle ausschließlich LEDs ist und die Lichtintensitätswerte 4000 nW/cm ² . betragen (260 nm), 558 nW/cm ² (620 nm) und 14 nW/cm ² (945 nm). Abgesehen von der Photoempfindlichkeit können wir aus den Reaktionsgeschwindigkeiten bei verschiedenen Lichtwellenlängen schließen, dass die InAsSb-NWs eine bessere Reaktion auf Infrarotlicht haben.

Zeitabhängigkeit der Source-Drain-Leitfähigkeit bei verschiedenen Temperaturen. a Die Lichtempfindlichkeit des Geräts bei unterschiedlichen Temperaturen bis 620 nm LED mit unterschiedlichem Eingangsstrom. b Die Reaktionszeit des Geräts beträgt 20 K, während der Eingangsstrom der LED 2000 μA beträgt. c Die photoelektrische Leistung des Geräts in Abhängigkeit von der Wellenlänge bei Raumtemperatur mit einer Beleuchtung von 260 nm, 620 nm und 945 nm. Der Einschub zeigt eine vergrößerte Version der Photoreaktion auf 260 nm-LED

Abbildung 3a zeigt, dass unser Gerät auf die Änderung des LED-Zustands bei unterschiedlichen Temperaturen schnell und offensichtlich positiv reagiert und die Photoleitfähigkeit mit dem LED-Strom steigt. Ohne Lichtbeleuchtung beträgt der Leitwert des Geräts etwa 1,04 × 10 ^–7 Ω ⁻¹ , was mit dem in Abb. 2c gezeigten Ausgabetest übereinstimmt. Bei einer festen Temperatur ist der Wert von ΔG (definiert als Leitwert minus Dunkelleitwert) steigt fast linear mit dem LED-Strom an, der die Lichtintensität repräsentiert. Wenn die Lichtquelle blockiert wurde, kehrt der Strom des Geräts sofort in den ursprünglichen Zustand zurück. Der Höchstwert von ΔG in diesem Diagramm ist 3.2 × 10 ^–8 Ω ⁻¹ bei 10 K. Es sollte beachtet werden, dass in diesem Diagramm zwei Arten von Photoreaktionen unterschieden werden können:

1. 1.

   bei den meisten Temperaturen steigen die Ströme schnell an, sobald die LED eingeschaltet ist, und die Ströme sind stabil, solange die LED eingeschaltet ist;

2. 2.

   bei 10 K und 20 K nimmt der Strom auch mit der Lichtbeleuchtung schnell zu. Der Strom nimmt jedoch bei eingeschalteter LED leicht ab und hinterlässt einen Schwanz im Diagramm, der bei anderen Temperaturen nicht zu finden ist.

Um den intrinsischen Mechanismus der beiden verschiedenen Arten von Photoreaktionen zu verdeutlichen, werden die Informationen zur Reaktionsgeschwindigkeit bei 20 K, wenn der LED-Strom 2000 μA beträgt, als Beweis extrahiert und die spezifischen Werte sind in Abb. 3b gezeigt. Die Reaktionszeit [38, 39] (τ _ris die die Zeitlücke zwischen 90 % Stromspitze und 10 % Stromspitze darstellt) wird mit 1,8 s bestimmt, während die Erholungszeit (τ _Aufnahme entgegengesetzt definiert) beträgt 2,4 s, die im gesamten Temperaturbereich nahezu konstant sind. Für 10 K und 20 K beträgt die Verzögerungszeit der "Schwanz"-Struktur etwa 15,7 s, was überraschenderweise fehlt, wenn die Beleuchtung des LED-Stroms kleiner als 500 μA ist. In Kombination mit der Schwachlichtbedingung im Einschub von Fig. 3a können drei Arten von Lichtreaktionen bei 10 K und 20 K demonstriert werden. Beim schwächsten Licht (10–50 μA) steigt der Strom mit der Zeit langsam an. Wenn der LED-Strom auf 100–500 μA erhöht wird, wird die Reaktion schnell. Sobald der Strom über 1000 μA liegt, bildet sich der Schwanz. Mit anderen Worten kann nur eine ausreichende Lichtintensität die vorübergehende "Schwanz"-Struktur auslösen. Ähnliche „Schwanz“-Strukturen wurden in InAs NWs häufig beschrieben [40, 41]. Die Lichtquellen in diesen Berichten sind alle Laser mit hoher Lichtintensität, was mit unserem Ergebnis übereinstimmt, dass die „Schwanz“-Struktur nur in den Lichtzonen hoher Intensität auftritt. Sie behaupteten, dass der „Schwanz“ von dem verzögerten Effekt herrührt, der dem Einfangen und Entfernen von Ladungsträgern auf den Oberflächenzuständen entspricht [42]. Für InAsSb-NWs in unserem Fall sind die Oberflächenzustände aufgrund der starken Tensidwirkung, die mit Sb inkorporiert ist, eher unvermeidlich [43]. Daher gehen wir davon aus, dass die „Schwanz“-Struktur aus den Defektzuständen der Zwillingsstruktur stammt und Elektronen nur bei bestimmten Temperaturen mit ausreichend starker Lichtunterstützung einfängt.

Für einen gegebenen Photodetektor kann die Photoempfindlichkeit ausgedrückt werden durch [44]

wobei \({I}_{\mathrm{p}}\) der Photostrom des Geräts ist, \(P\) die Lichtleistung des Geräts ist und \(A\) die effektive Fläche des Geräts darstellt. Bei unserem Gerät beträgt die effektive Fläche des Geräts 1 mm ² die durch die während der Elektrodenverdampfung verwendete Maske bestimmt wird und die Lichtempfangsfläche des Photometers 0,9 cm ² . beträgt . Unter diesen Umständen kann die Lichtempfindlichkeit des Geräts mit 4,25 mA/W (260 nm), 1,27 A/W (620 nm) bzw. 28,57 A/W (945 nm) bestimmt werden, was das Potenzial von InAsSb . weiter bestätigt NW Sandwichstrukturiertes Gerät zur Infraroterkennung.

Die Photodetektivität eines Geräts kann als [14]

wo R ist die Lichtempfindlichkeit des Geräts und e ist die elektronische Ladung. Ich _dunkel stellt den Dunkelstrom des Geräts dar und der Wert beträgt 10,8 nA. Mit dem unterdrückten Dunkelstrom in der InAsSb-NW-Sandwichstruktur erreichen die Werte von \({D}^{*}\) des Photodetektors 7,28 × 10 ⁷ (260 nm), 2 × 10 ¹⁰ (620 nm) und 4,81 × 10 ¹¹ cm·Hz ^1/2 W ⁻¹ (945 nm). Bemerkenswert ist, dass das Tastverhältnis von NWs in dieser Array-Struktur kleiner als 50% ist, was den tatsächlichen R und \({D}^{*}\) größer als das von uns berechnete Ergebnis. Das hohe R und \({D}^{*}\) werden nicht nur dem Lichteinfangeffekt des Array-Geräts zugeschrieben, sondern stammen auch von der Schnittstellenstruktur [2]. Im Vergleich zu den Nanodraht-basierten Photodetektoren, die in Lit. [45] hat die Betriebstemperatur von 300 K für unser Gerät ein überlegenes Anwendungspotenzial in realen Umgebungen [6]. Darüber hinaus könnte die Lichtempfindlichkeit unseres einfach herzustellenden InAsSb-NW-Array-Geräts (28,57 A/W bei 945 nm) bei Raumtemperatur die meisten komplizierten NW-basierten Geräte (WSe₂ .) übertreffen /Bi₂ Te₃ :20 A/W bei 980 nm [46], PtSe₂ /Perowskit:0,12 A/W bei 800 nm [47]). Obwohl der Grenzflächendipol experimentell unerreichbar ist, könnten die Ausgangscharakteristiken in Abb. 2 solide Beweise für seine Existenz in unserem Gerät liefern. Wie in der vorherigen Diskussion vorgeschlagen, könnte die Grenzflächenschicht der Vorrichtung bei der Lichtbeleuchtung als optisches Dipolgitter fungieren, was zu einem größeren Feldverstärkungsfaktor beitragen könnte. Dieser Effekt wird in früheren Studien als Interface Dipol Enhancement Effect (IDEE) bezeichnet [48]. Der IDEE arbeitet für einen größeren Wellenlängenbereich als der Oberflächenplasmonenverstärkungseffekt, der nur innerhalb des Resonanzwellenlängenbereichs existiert. Der Verstärkungseffekt um die Grenzflächenzustände und der Lichteinfangeffekt des Array-Geräts wirken zusammen für die Schwachlichterkennung in unserem Gerät.

Abbildung 4 zeigt die Beziehung zwischen der Photoantwort des InAsSb-NW-Geräts als Funktion der Temperaturen (Fig. 4a) und der Lichtintensität (Fig. 4b). Der Wert von \({I}_{p}\) ist der Extremwert, den der Photostrom bei eingeschaltetem Licht erreichen kann. Die Photoantwort wird durch die genaue Lichtintensität normiert, um ihren Einfluss auf die Tendenz abzuschirmen. Zunächst können wir eine ähnliche Tendenz bei Beleuchtung mit unterschiedlicher Lichtintensität schließen. In allen Diagrammen steigt die absolute Photoleitfähigkeit von 2 auf 20 K und fällt dann auf 80 K ab, wobei der erste Peak bei etwa 20 K und der zweite Peak bei etwa 100–120 K verbleibt. Der Temperaturbereich dieses Peaks stimmt mit der spezifischen Temperatur überein Bereich, in dem der transiente Photostrom-„Schwanz“ existiert. Der andere Peak liegt bei etwa 100–120 K und seine spezifische Position verschiebt sich mit zunehmender Lichtintensität in eine Zone mit höherer Temperatur.

a Die Temperaturabhängigkeit von ΔG mit unterschiedlichen Lichtintensitäten gemessen. b Die Leistungsabhängigkeit von ΔG bei verschiedenen Temperaturen gemessen. c Die Bandstruktur des Geräts mit Vorspannung. d Die Bandstruktur des Gerätes mit der Lichtbeleuchtung

Der Photostrom könnte ausgedrückt werden durch [28]

wobei \(q\) die Elementarladung ist, \(g\) die Phototräger-Erzeugungsrate, \({V}_{\mathrm{NW}}\) das NW-Volumen, \(\tau\) das Minoritätsladungsträgerlebensdauer und \({\mu}_{d}\) ist die Driftmobilität und \(l\) ist die NW-Länge. Diese Gleichung verdeutlicht, dass die Lebensdauer der Minoritätsträger und die Driftmobilität zwei Schlüsselparameter für den Photostrom sind [43]. Der optoelektrische Prozess der InAsSb-Array-Vorrichtung ist in Abb. 4c, d gezeigt. Vor dem importierten Licht bildet der Elektronentransfer zwischen Au- und InAsSb-NWs den Dunkelstrom. Die Lückenzustände aufgrund des Grenzflächendipols sind kurz genug für den Ladungsträgertransfer mit genügend Impuls. In unserem Gerät können sowohl die durch die native Zwillingsstruktur induzierten Grenzflächenzustände als auch die hergestellten induzierten Defekte als Einfangzustände fungieren. Beim Einschalten des Lichts würden die überschüssigen Elektronen mit genügend Energie und Impuls an den Grenzflächenzuständen gefangen werden, wie in den Prozessen I und III gezeigt. Die verringerte Elektronenkonzentration erhöht die Mobilität im Kanal und verlängert die Lebensdauer der photogenerierten Elektronen. Andererseits streuen die eingefangenen Elektronen im Grenzflächenzustand die Elektronen im Kanal und lassen die Mobilität abnehmen. Die freigesetzten Elektronen würden durch den Prozess IV in das Leitungsband zurückkehren und am Strom teilnehmen. Die Elektronen mit niedrigerer Energie würden auf das leitfähige Band motiviert und am Strom teilnehmen, wie in Prozess II gezeigt. Nach einer Weile rekombinieren die Elektronen mit den im Valenzband verbliebenen Löchern, wie in Prozess V gezeigt. Wir können zwei Arten von Streuprozessen in der Vorrichtung schließen:die Streuzentren der einfangenden Elektronen und die Elektron-Elektron-Streuung im Kanal [49] . Mehr Einfangelektronen an den Grenzflächenzuständen würden die Ladungsträgermobilität und die Ladungsträgerkonzentration im Kanal verringern. Anschließend wird die Elektron-Elektron-Streuung abgeschwächt und wirkt sich wiederum auf die Erhöhung der Mobilität aus. Zusammenfassend würden diese beiden Streuprozesse am Strom zusammenarbeiten und ein Extrem von etwa 10–20 K erreichen. Das bemerkenswerte Merkmal dieses Peaks ist die „Schwanz“-Struktur, die stabile Peak-Stelle und die anhaltende Photoleitfähigkeit bei ultraschwacher Lichtbeleuchtung. Bei der ultraschwachen Lichtbeleuchtung reicht die induzierte Menge der Photonen nicht aus, um sofort den gesättigten Photostrom zu erreichen. Daher zeigt das Gerät einen anhaltenden Photostrom bis zur Sättigung. Wenn die Lichtintensität erhöht wird, verstärken die photoangeregten Ladungsträger den Strom und erreichen innerhalb einer kurzen Reaktionszeit den Extremwert. Bei höherer Lichtintensität wird es jedoch komplizierter. Die überschüssigen Ladungsträger über den gesättigten Zuständen werden in den Grenzflächenzuständen gefangen. Wenn die eingefangenen Elektronen in das Leitungsband abgegeben werden, steigt die Konzentration wieder an. Die zunehmende Elektron-Elektron-Streuung lässt den Strom abnehmen, was als verzögerter Effekt bezeichnet wird, und erzeugt die „Schwanz“-Struktur.

Für den zweiten Peak um 100–120 K wurde eine ähnliche Peakverschiebung im Bi₂ . berichtet Te₃ Film [50]. Unsere Analyse weist auf die Existenz von Rekombinationszentren in diesem Temperaturbereich hin. Der intrinsische Mechanismus ist ähnlich wie bei Bi₂ Te₃ , beide beziehen sich auf die Bilanz von Photostrom (\({I}_{\mathrm{p}}\)) und Dunkelstrom (\({I}_{\mathrm{d}}\)). In unserem Fall ist \({I}_{\mathrm{d}}\) im gesamten Messtemperaturbereich nahezu konstant. \({I}_{\mathrm{p}}\) wird durch die Minoritätsträgerlebensdauer und Driftmobilität bestimmt. Es wurde darauf hingewiesen, dass diese beiden Parameter von InAsSb-NWs gegensätzlich abhängige Beziehungen zur Temperatur aufweisen. Für die Lebensdauer der Minoritätsladungsträger nehmen die thermisch angeregten Dunkelladungsträger mit der Temperatur sowie die Rekombinationsrate der photogenerierten Ladungsträger zu [51]. Dadurch ist die Lebensdauer der Minoritätsträger umgekehrt proportional zur Temperatur. Die Driftmobilität ist proportional zur Temperatur, da durch die hohe Temperatur der thermische Anregungseffekt in den NWs entsteht. Der Peak tritt auf, wenn \({I}_{\mathrm{p}}\) und \({I}_{\mathrm{d}}\) bei einer bestimmten Temperatur, die bei etwa 100–120 K liegt, das Gleichgewicht erreichen Bei einer höheren Lichtintensität würde eine größere Menge photogenerierter Ladungsträger mehr thermisch angeregte Ladungsträger bei einer höheren Temperatur benötigen, um ein Gleichgewicht zu erfordern. Daher verschiebt sich der zweite Peak zu einer höheren Temperatur, wenn die Lichtintensität zunimmt. Abbildung 4b zeigt die Photoleitfähigkeit des InAsSb-NW-Geräts in Abhängigkeit von der Lichtintensität, wobei ΔG Werte sind nicht normalisiert. Wie zu sehen ist, steigt die Lichtintensität der LED streng linear mit dem Eingangsstrom an (siehe Zusatzdatei 1:Abbildung S6). Hence, this result represents the relationship between the photoresponse and the light intensity, demonstrating the potential of the InAsSb NW array device in optical power meter.

Schlussfolgerungen

In summary, the sandwich-structured photodetector based on InAsSb NW array has achieved a splendid optical performance due to the MIGS induced by the end-bonded contact. Interface dipole and gap states suppress the dark current and enhance detection ability of the device. The native defects and the fabricated-induced defects in the device act as the interface states to modulate the optical properties. Even with the ultraweak light (4–20 nW/cm ² ) illumination, the device shows obvious photoresponse at room temperature. The response to LEDs with different wavelengths indicated that the InAsSb NW array device has the strongest response to the infrared light (945 nm). The photoresponsivity and photodetectivity are 40 A/W and 7 × 10 ¹¹  cm Hz ^1/2  W ⁻¹ , bzw. These results confirmed that the sandwich structure in this study favors the repeatability and reliability of the NW devices, which paves a way for the fabrication of NW-based devices. Most importantly, the device may work in an ambient environment at room temperature, which is a great breakthrough for infrared detection.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

All data are fully available without restriction. Die in der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

Abkürzungen

MBE:

Molekularstrahlepitaxie

1D:

Eindimensional

NW:

Nanodraht

BEP:

Beam equivalent pressure

VS:

Vapor–solid

VLS:

Vapor–liquid–solid

EBL:

Elektronenstrahllithographie

RIE:

Reaktives Ionenätzen

WZ:

Wurtzite

ZB:

Zinc blende

BFTEM:

Bright-field scanning electron microscope

HRTEM:

Hochauflösendes Transmissionselektronenmikroskop

SAED:

Ausgewählte Bereichselektronenbeugung

EDS:

Energy disperse spectroscopy

MIGS:

Metal-induced gap state

IDEE:

Interface dipole enhancement effect

LED:

Light emitting diode