Verbesserte Schwachlichtempfindlichkeit: Endkontaktierte InAsSb-Nanodraht-Array-Photodetektoren

Zusammenfassung

In dieser Studie wird eine einfache Fertigung von endkontaktierten InAsSb-Nanodraht-Array-Detektoren für schwaches Licht demonstriert. Der Detektor wird aus InAsSb-Nanodraht-Arrays gefertigt, die durch Molekularstrahlepitaxie (MBE) auf GaAs-Substrat gewachsen sind. Durch den Endkontakt werden metallinduzierte Lückenzustände (MIGS) induziert, die den Dunkelstrom bei verschiedenen Temperaturen unterdrücken. Die Existenz eines Interfacedipols aufgrund der interfacialen Lückenzustände verstärkt die Lichtexzitation im lokalen Feld und verbessert dadurch Photoresponsivität und Photodetektivität für schwaches Licht. Die Lichtintensität der Infrarotlichtquelle in diesem Bericht beträgt 14 nW/cm², was etwa 3 bis 4 Größenordnungen weniger als Laserquellen ist. Die Responsivität des Detektors erreichte 28,57 A/W bei Raumtemperatur bei 945 nm Bestrahlung, die Detektivität 4,81 × 10¹¹ cm·Hz¹ᐟ²·W⁻¹. Anomale temperaturabhängige Leistung tritt bei variablen Temperaturexperimenten auf; wir diskutieren den detaillierten Mechanismus hinter der nichtlinearen Beziehung zwischen Photoresponse und Temperaturen. Zudem zeigen die optoelektronischen Eigenschaften, dass Lichteffang-Effekt und Photogating-Effekt der Nanodrähte die Photoresponse auf schwaches Licht von Ultraviolett bis Nahinfrarot verstärken. Diese Ergebnisse unterstreichen die Machbarkeit des InAsSb-Nanodraht-Array-Detektors für infrarotes Schwachlicht ohne Kühlsystem.

Einleitung

Als wichtiger Zweig schmalbandiger III-V-Halbleiter erbt InAsSb Vorteile von InAs wie kleine effektive Elektronenmasse und hohe Elektronenmobilität. Durch Einführung von Sb in InAs kann die Abschneidewellenlänge ternären InAsSb aufgrund des Bandlücken-Bowingeffekts in den langwelligen Infrarotbereich erweitert werden. Folglich gilt InAsSb als idealer Kandidat für Infrarotdetektion. In der Optoelektronik haben eindimensionale (1D) Nanostrukturen einzigartige Eigenschaften: große Oberfläche mit zahlreichen Fangzuständen, langer Pfad für Photonenabsorption und mechanisch flexible Struktur aufgrund riesiger Aspektverhältnisse. Zudem können 1D-Nanostrukturen während ihres Wachstums Gitterfehlanpassung zu Substraten leicht freisetzen und so hohe Kristallqualität erreichen. Anwendungen in Optoelektronik wie Photodetektoren und Solarzellen basierend auf 1D-Nanostrukturen ziehen enormes Forschungsinteresse an. Maßgeschneiderte Gerätestrukturen wurden vorgeschlagen, um optimierte Lichtabsorption und breitbandiges Lichternte zu erreichen, was 1D-Nanostrukturen für vielfältige Anwendungsszenarien und kompatible Komponenten zu siliziumbasierten integrierten Schaltkreisen geeignet macht. Kürzlich demonstrierten Photodetektoren basierend auf einzelnen InAs-Nanodrähten ihr Potenzial in Infrarotdetektion. Mit Sb-Zugabe kann ternäres InAsSb im breiten Spektralbereich bei Raumtemperatur detektieren. Mit Al₂O₃-Passivierung erreichten InAsSb-Nanodraht-Detektoren ungekühlte Detektion im mittelwelligen Infrarot. Herkömmliche Lichtquellen in diesen Studien sind jedoch Hochintensitätslaser, und die meisten Geräte können nicht bei Raumtemperatur betrieben werden. Zudem ist die konventionelle Gerätestruktur basierend auf Nanodrähten nicht freundlich für Massenanwendung in kompatiblen integrierten Schaltkreisen. Es gibt drei Haupttypen traditioneller InAsSb-Nanodraht-Detektoren: Einzel-Nanodraht-Gerät, Quantenpools in InAs-Nanodrähten eingebettet, vertikales Einzel-Nanodraht-Gerät. Alle erfordern kostspielige Nanofabrikationsprozesse wie Elektronenstrahllithografie (EBL) und Reaktiv-Ionen-Ätzen (RIE). Hier ist Innovation in der Gerätestruktur dringend für Nanodraht-Anwendungen erforderlich.

Die Grenzfläche spielt trotz begrenzter Größe immer eine entscheidende Rolle für optische und elektrische Leistung, was Kontakt-Engineering in Nanodraht-basierten Geräten zu einem weiteren wesentlichen Faktor macht. Beispielsweise wurde eine Solarzelle mit exzellenter omnidirektionaler Photodetektions-Eigenschaft für schwaches Licht in einer Hybridstruktur realisiert, die die Grenzfläche zwischen Graphen-Quantenpunkten und Polystyrolsulfonat nutzt. In dieser Studie modulieren wir die optoelektrische Leistung des Geräts durch die Bandstruktur an der Grenzfläche zwischen Elektrode und Halbleiter. Die Ladungsumverteilung an der Metall-Halbleiter-Grenzfläche und der Ladungstransfer zwischen Metall und den Ausläufern der Metallwellenfunktionen in den Halbleiter werden als MIGS bezeichnet, die Lückenzustände und Interfacedipol an den interfacialen Zuständen induzieren können. Simulationsergebnisse des MIGS-Modells weisen jedoch noch Abweichungen zu Experimenten auf, was auf Grenzflächendefekte, fertigunginduzierte Defekte und Fermi-Level-Pinning zurückgeführt wird. Besonders bei InAsSb-Nanodrähten mit reichhaltigen Oberflächenzuständen ist Fermi-Level-Pinning unvermeidbar, sodass die induzierten Lückenzustände den Ladungstransfer filtern. Dadurch kann der Dunkelstrom des Geräts in einem akzeptablen Bereich unterdrückt werden. Darüber hinaus könnte der Interfacedipol die Lichtexzitation im lokalen Feld verstärken, was für Schwachlichtdetektion essenziell ist. Basierend auf der Diskussion von Chu et al. sind Endkontakte eher in der Lage, Zustandsüberlapp zwischen Metall und Halbleiter zu erreichen als Plankontakte. Doch Endkontakt-Geräte über einzelne Nanodrähte stoßen auf Fertigungshürden. Hier präsentieren wir eine Lösung durch Verwendung von Nanodraht-Arrays zur Realisierung des Endkontakts zwischen Nanodrähten und Metall. Im Vergleich zu konventionellen Photodetektoren haben Sandwich-strukturierte Nanodraht-Array-Geräte Vorteile einfacher Fertigung und hoher Umweltanpassungsfähigkeit. Der Füller (AZ5214), der während der Fertigung um die Nanodrähte spin-beschichtet und gebacken wird, macht das Gerät stabiler und oxidationsbeständiger. Wenn Licht in das Nanodraht-Array eintritt, reflektiert und bricht es sich mehrfach in verschiedene Richtungen, was die Lichtabsorption im Inneren verstärkt. Der verlängerte Lichtpfad im Nanodraht-Array wird als Lichteffang-Effekt bezeichnet, der in Nanodraht-Array-Geräten weit verbreitet ist. Sowohl Bandstruktur als auch Gerätestruktur geben dem Gerät Potenzial für Schwachlichtdetektion bei Raumtemperatur.

In dieser Studie fertigten wir das Nanodraht-Array-Gerät basierend auf InAsSb-Nanodrähten, die durch MBE (Molekularstrahlepitaxie) gewachsen sind. Die durch den Metall-Halbleiter-Kontakt induzierten Lückenzustände und der Interfacedipol konnten den Dunkelstrom unterdrücken und die Lichtdetektion separat verstärken. Der Lichteffang-Effekt der Sandwichstruktur des Nanodraht-Arrays trägt zur Schwachlichtdetektion bei. Unterdrückter Dunkelstrom bei Raumtemperatur minimiert Detektionsrauschen erheblich und ermöglicht Detektion bei Raumtemperatur. Die Aushärtung der Gerätestruktur befähigt das Gerät zur Arbeit in Umgebungsatmosphäre. Auch der Photoresponse des Geräts schwankt mit Temperatur, da komplexe Grenzflächenzustände erwartet werden. Bei konstanter Temperatur steigt der Photostrom linear mit der einfallenden Lichtintensität, was Potenzial für optische Leistungsmessung demonstriert.

Methoden/Experimentell

InAsSb-Nanodrähte wurden auf GaAs {111}B-Substraten mittels MBE-System (Riber 32 R&D) mit in-situ Au-Verdampfungssystem gezüchtet. Das epi-bereite Substrat wurde vorbehandelt zur Kontaminationsentfernung. Dann wurde eine GaAs-Pufferschicht bei 540 °C für 15 min abgeschieden und Au-Nanopartikel durch Verdampfung und Glühen gebildet. InAs-Stämme wurden 20 min bei konstant 380 °C gezüchtet, dann wurde Sb-Quelle 60 min in die Wachstumskammer eingeführt. Während des Nanodrahtwachstums wurde In-BEP (Strahläquivalenzdruck) auf 2,7×10⁻⁷ mbar, As-BEP auf 2,2×10⁻⁶ mbar, Sb-BEP auf 7×10⁻⁷ mbar gehalten, was zu V/III-Flussverhältnis ~11 und Sb/As-Verhältnis ~0,3 führte.

Für die Gerätefertigung wurde AZ5214 (Photolack) als Stützmittel zur Erhaltung der Nanodraht-Orientierung eingesetzt. Der Nanodraht-Array mit Substrat wurde bei 3000 rpm 30 s mit AZ5214 spin-beschichtet und 2 min bei 120 °C gebacken. Das Gel AZ5214 ist transparent, minimiert Lichtverlust während der Messung. Um die Nanodrahtspitzen freizulegen, wurde die Array-Oberfläche mit einer Präzisionsscherschleiflehre (Logitech) poliert. Die während des Nanodrahtwachstums via VS (Dampf-Fest) Mechanismus auf der Substratoberfläche gebildeten InAsSb-Schichten können als Drain-Elektrode fungieren. Laut Hall-Messung der InAsSb-Epitaxialschichten (Zusatzdatei 1: Abb. S1) beträgt die Raumtemperatur-Ladungsträgerkonzentration ~2×10¹⁷ cm⁻³, die Mobilität ~1,6×10⁴ cm²/(V·s). Danach wurde Au-Film mit 8 nm Nennschichtdicke auf ausgewählte Bereiche abgeschieden: einer auf der Array-Oberseite, der andere auf der Epischicht. Die geringe Dicke des abgeschiedenen Au gewährleistet Elektroden-Photodurchlässigkeit und akzeptablen Lichtverlust während der Messungen.

Morphologische, chemische und strukturelle Charakteristika der InAsSb-Nanodrähte wurden mittels SEM (FE-SEM, JEOL 7800F) und TEM (Philips Tecnai F20, ausgestattet mit EDS für Kompositionsanalyse) untersucht. Individuelle Nanodrähte für TEM-Analyse wurden durch Ultraschallbehandlung der Nanodrahtproben in Ethanol und Aufbringen auf Cu-Gitter mit Kohlenstoffträgerfolie präpariert.

Photoleitfähigkeitsmessungen erfolgten in einem Helium-Geschlossenkreis-Kryostaten mit LEDs als Lichtquellen. Die Temperatur kann kontinuierlich zwischen 2 K und Raumtemperatur moduliert werden, die Lichtintensität der LEDs lässt sich einfach über den Eingangsstrom einstellen. LEDs mit Wellenlängen 260 nm, 620 nm und 945 nm wurden verwendet. Die Lichtintensität der LED hängt von Temperatur und Eingangsstrom ab: linearer Anstieg mit Strom, Abnahme mit Temperatur. Die Lichtintensitätswerte bei Raumtemperatur in dieser Messung betragen 4000 nW/cm² (260 nm), 558 nW/cm² (620 nm) und 14 nW/cm² (945 nm). Weitere Lichtintensitätsinformationen finden sich in Ref. [30]. Eine konstante Spannung V_DS = 100 mV wurde zwischen Source und Drain angelegt. Photoleitfähigkeitsresponse wurde durch Ein-/Ausschalten der LEDs erhalten.

Ergebnisse und Diskussion

Abbildung 1 zeigt elektronenmikroskopische Untersuchungen der InAsSb-Nanodrähte. Abb. 1a ist ein geneigtes SEM-Bild, zeigt Nanodrahtdurchmesser 100–200 nm, Längen 6–8 µm. Abb. 1b zeigt ein Hellfeld-TEM-Bild (BF-TEM) eines typischen einzelnen Nanodrahts, der eine klassische verjüngte Struktur aufweist. Entlang der axialen Richtung zeigt die Zusammensetzung einen mäßigen allmählichen Wechsel; der durchschnittliche Sb-Gehalt beträgt bis zu 30% basierend auf quantitativer EDS-Analyse (Details in Zusatzdatei 1: Abb. S2). Abb. 1c zeigt HRTEM-Bild des mittleren Teils des Nanodrahts, bestätigt Existenz von Zwillingsebenen. Das SAED-Muster (Abb. 1d) verifiziert die Zwillingstruktur, zwei Sätze ZB (Zinkblende)-strukturierter Beugungen sind unterscheidbar. Das Sb-Element kann als Surfactant wirken und die WZ (Wurtzit)-Phase von InAs-Nanodrähten unterdrücken, was den Strukturphasenübergang von WZ zu ZB begünstigt. In unserem Fall führt V/III-Verhältnis ~11 zu einer V-reichen Umgebung, die die Nukleation von ZB-Struktur begünstigt, lässt aber einige Zwillingsebenen zurück. Untersuchungen zur Zwillingstruktur in InAsSb-Nanodrähten besagen, dass Versetzung an der Grenze zu ungleichmäßiger lokaler Sb-Verteilung führt, was Elektronenstreuung oder Trägerfang begünstigt.

Die Gerätestruktur ist in Abb. 2a illustriert: Au-Film bedeckt Ober- und Unterseite des Arrays. SEM-Bild des Geräts in Zusatzdatei 1: Abb. S3, verbleibende Länge ~3 µm, fast alle Nanodrähte integriert. Der Photolack hält Nanodrähte orientiert und integriert sie in ein ausgehärtetes Gerät; dadurch ist es oxidationsbeständiger und anwendungsgeeigneter. Die verjüngte Struktur wird in amorphen Silicium-Nanodraht-Array-Geräten verwendet, zeigt verbesserte Absorption und Unempfindlichkeit gegenüber Einfallswinkel. Abb. 2b ist Skizze der Au-InAsSb-Grenzfläche gemäß MIGS-Modell. Abb. 2c, d bestätigen einen fast konstanten Leitwert unabhängig von Temperatur, Wert ~1×10⁻⁷ Ω⁻¹. I-V-Kurven bei 2 K und 300 K ohne Licht in Abb. 2d. Einzelner Nanodraht zeigt viel größeren Leitwert (Zusatzdatei 1: Abb. S4). Das Array-Gerät entspricht einer Parallelschaltung tausender einzelner Nanodrähte, theoretisch sollte der Leitwert viel größer sein. Zwei Grundkenntnisse: (1) Leitwert einzelner Nanodraht zeigt starke Temperaturabhängigkeit; (2) Array-Geräte aus InAs-Nanodrähten in unserer Studie haben ebenfalls konstanten Leitwert. Daher schließen wir, dass der Kontakt zwischen Metall und Halbleiter in diesem Gerät einen beträchtlichen Widerstand aufweist, der die Gesamtausgangscharakteristik dominiert.

Wenn Au über Endkontakt mit InAsSb-Nanodrähten verbunden wird, findet Ladungstransfer an der Grenzfläche über die Ausläufer der Metall-Elektronenwellenfunktionen statt (Kontinuum der MIGS). Die Ladungsumverteilung bei Kontaktbildung verursacht Interfacedipole. Gemäß MIGS-Modell wird die Grenzflächenbarrierehöhe durch Φ_Au (Arbeitsfunktion des Metalls), Φ_NW (Elektronenaffinität des InAsSb-Nanodrahts) und Δ_i (Spannungsabfall durch Interfacedipol bei Grenzflächenbildung) bestimmt. δ_i ist die Distanz der durch das Metall induzierten Lückenzustände. Der elektronische Zustand ist in Abb. 2b dargestellt. Der Interfacedipol könnte eine zusätzliche Barriere für Elektronen schaffen, doch der Effekt ist auf den Bereich δ_i begrenzt. Letztlich werden die intrinsischen Geräteeigenschaften durch den großen parasitären Kontaktwiderstand moduliert. In unserem Gerät verringert der große Kontaktwiderstand den Dunkelstrom effektiv, während der Wert temperaturunabhängig ist. So kann die Ladungsträgerkonzentration in einem für Lichtdetektion günstigen Bereich gehalten werden. Der Mechanismus, warum der Kontaktwiderstand durch den Interfacedipol bei variierenden Temperaturen konstant bleibt, bedarf weiterer detaillierter Forschung.

Abb. 3a zeigt die Ströme des Geräts von 2 bis 120 K mit und ohne Lichtbestrahlung (Rest in Zusatzdatei 1: Abb. S5). LED-Zustände werden zeitlich getaktet: „AN“ und „AUS“ jeweils 60 s. Die spezifischen Stromwerte der LED im „AN“-Zustand betragen 10, 20, 50, 100, 200, 500, 1000, 2000, 3000 µA. Messung bei Temperaturen 2–300 K. Inset in Abb. 3a zeigt Bedingungen mit drei schwächsten Lichtintensitäten (~4–10 nW/cm²), ähnlich wie Abb. 3a. Doch bei schwächstem Licht zeigen sich offensichtliche unterschiedliche optische Verhaltensweisen, besonders langsamere Ansprechgeschwindigkeit und leicht anhaltende Photoleitfähigkeit. Abb. 3b zeigt Ansprechzeit bei 20 K, LED-Strom 2000 µA. Wichtig: Abb. 3c wurde in Umgebungsatmosphäre bei Raumtemperatur aufgenommen. Die Lichtquellen sind allesamt LEDs mit Intensitäten 4000 nW/cm² (260 nm), 558 nW/cm² (620 nm), 14 nW/cm² (945 nm). Aus Ansprechgeschwindigkeiten bei verschiedenen Wellenlängen lässt sich schließen, dass InAsSb-Nanodrähte besser auf Infrarotlicht ansprechen.

Abb. 3a zeigt schnellen und offensichtlichen positiven Response bei LED-Zustandsänderung unter verschiedenen Temperaturen; Photoleitfähigkeit steigt mit LED-Strom. Ohne Licht beträgt Leitwert ~1,04×10⁻⁷ Ω⁻¹ (stimmt mit Abb. 2c überein). Bei fixer Temperatur steigt ΔG (Leitwert minus Dunkel-Leitwert) fast linear mit LED-Strom (Lichtintensität). Wird Lichtquelle blockiert, erholt sich Strom sofort zum Ursprungszustand. Maximaler ΔG in diesem Plot: 3,2×10⁻⁸ Ω⁻¹ bei 10 K. Zwei Arten von Photoresponse lassen sich unterscheiden:

1. Bei den meisten Temperaturen: schneller Stromanstieg beim Einschalten der LED, stabiler Strom solange LED an.
2. Bei 10 K und 20 K: ebenfalls schneller Anstieg, aber Strom nimmt bei eingeschalteter LED leicht ab, hinterlässt einen „Schwanz“ im Plot, nicht bei anderen Temperaturen zu finden.

Zur Klärung des intrinsischen Mechanismus der beiden Photoresponse-Typen wurde die Ansprechgeschwindigkeit bei 20 K (LED-Strom 2000 µA) extrahiert (Abb. 3b). Ansprechzeit τ_ris (Zeit von 90% auf 10% Stromspitze) = 1,8 s, Erholungszeit τ_rec = 2,4 s, nahezu konstant im gesamten Temperaturbereich. Für 10 K und 20 K beträgt Verzögerungszeit des „Schwanzes“ ~15,7 s, der überraschenderweise fehlt, wenn LED-Strom < 500 µA. Kombiniert mit Schwachlichtbedingung im Inset von Abb. 3a lassen sich drei Photoresponse-Arten bei 10 K und 20 K demonstrieren: Schwächstes Licht (10–50 µA) → langsamer Stromanstieg; LED-Strom 100–500 µA → schneller Response; >1000 µA → Schwanzbildung. Nur ausreichende Lichtintensität löst den transienten „Schwanz“ aus. Ähnliche Schwanzstrukturen wurden in InAs-Nanodrähten breit berichtet (Laser mit hoher Lichtintensität, konsistent mit unserem Ergebnis). Ursache: verzögerter Effekt durch Fang und Entfang von Trägern an Oberflächenzuständen. Bei unseren InAsSb-Nanodrähten sind Oberflächenzustände aufgrund des starken Surfactant-Effekts von Sb unvermeidbar. Daher vermuten wir, dass der „Schwanz“ von Defektzuständen der Zwillingstruktur herrührt, die nur bei bestimmten Temperaturen mit stark genugem Licht Elektronen fangen.

Für einen gegebenen Photodetektor lässt sich die Photoresponsivität ausdrücken als:

R = I_p / (P·A)   (1)

wobei I_p Photostrom, P Lichtleistung auf dem Gerät, A effektive Fläche des Geräts. Effektive Fläche = 1 mm² (durch Maske bei Elektrodenabscheidung bestimmt), Lichtempfangsfläche des Photometers = 0,9 cm². Daraus ergeben sich Photoresponsivitäten: 4,25 mA/W (260 nm), 1,27 A/W (620 nm), 28,57 A/W (945 nm) – bestätigt Potenzial in Infrarotdetektion.

Photodetektivität:

D* = R·A¹ᐟ² / (2e·I_dark)¹ᐟ²   (2)

R = Photoresponsivität, e = Elementarladung, I_dark = Dunkelstrom (10,8 nA). Mit unterdrücktem Dunkelstrom in InAsSb-Nanodraht-Sandwichstruktur erreichen D*-Werte: 7,28×10⁷ (260 nm), 2×10¹⁰ (620 nm), 4,81×10¹¹ cm·Hz¹ᐟ²·W⁻¹ (945 nm). Besonders: Der Duty-Cycle der Nanodrähte in diesem Array ist <50%, was tatsächliche R und D* größer macht als berechnet. Hohe R und D* sind nicht nur auf Lichteffang-Effekt des Array-Geräts zurückzuführen, sondern auch auf Grenzflächenstruktur. Im Vergleich zu nanodrahtbasierten Photodetektoren (Ref. [45]) hat unser Gerät bei 300 K überlegenes Anwendungspotenzial in realen Szenarien. Bei Raumtemperatur übertrifft die Photoresponsivität unseres einfach hergestellten InAsSb-Nanodraht-Array-Geräts (28,57 A/W bei 945 nm) die meisten komplizierten Nanodraht-basierten Geräte (WSe₂/Bi₂Te₃: 20 A/W bei 980 nm; PtSe₂/Perowskit: 0,12 A/W bei 800 nm). Auch wenn der Interfacedipol experimentell nicht direkt zugänglich ist, liefern die Ausgangscharakteristiken in Abb. 2 solide Evidenz für seine Existenz. Wie zuvor diskutiert, könnte die Grenzflächenschicht als optisches Dipolgitter bei Lichtbestrahlung fungieren, was zu einem größeren Feldverstärkungsfaktor beiträgt – Interface Dipole Enhancement Effect (IDEE). IDEE wirkt über größeren Wellenlängenbereich als Oberflächenplasmonenverstärkung (nur im Resonanzbereich). Verstärkungseffekt an Grenzflächenzuständen und Lichteffang-Effekt des Array-Geräts wirken zusammen für Schwachlichtdetektion.

Abb. 4 zeigt Beziehung zwischen Photoresponse des InAsSb-Nanodraht-Geräts als Funktion der Temperaturen (Abb. 4a) und Lichtintensität (Abb. 4b). I_p = Extremwert des Photostroms bei Licht an. Photoresponse normiert durch exakte Lichtintensität. Zunächst: ähnlicher Trend bei verschiedenen Lichtintensitäten. In allen Plots steigt absoluter Photoleitwert von 2 auf 20 K, dann fällt er bis 80 K → erster Peak ~20 K, zweiter Peak ~100–120 K. Temperaturbereich dieses Peaks stimmt mit spezifischem Bereich überein, wo transientes Photostrom-„Schwanz“ existiert. Der andere Peak ~100–120 K, dessen Position mit steigender Lichtintensität zu höheren Temperaturen verschiebt.

Photostrom lässt sich ausdrücken als:

I_p = q·g·V_NW·[τ·μ_d / l]   (3)

q = Elementarladung, g = Phototrägergenerationsrate, V_NW = Nanodrahtvolumen, τ = Minoritätsladungsträgerlebensdauer, μ_d = Driftmobilität, l = Nanodrahtlänge. Diese Gleichung klärt, dass Minoritätsladungsträgerlebensdauer und Driftmobilität zwei Schlüsselparameter für Photostrom sind. Der optoelektrische Prozess des InAsSb-Array-Geräts ist in Abb. 4c, d dargestellt. Vor Lichteinfall: Elektronentransfer zwischen Au und InAsSb-Nanodrähten bildet Dunkelstrom. Lückenzustände durch Interfacedipol sind kurz genug für Trägertransfer mit ausreichendem Impuls. In unserem Gerät können sowohl Grenzflächenzustände durch native Zwillingstruktur als auch fertigunginduzierte Defekte als Fangzustände wirken. Bei Licht an: überschüssige Elektronen mit ausreichender Energie und Impuls werden an Grenzflächenzuständen gefangen (Prozesse I und III). Verringerte Elektronenkonzentration erhöht Mobilität im Kanal und verlängert Lebensdauer photogenerierter Elektronen. Andererseits streuen gefangene Elektronen in Grenzflächenzuständen Elektronen im Kanal und verringern Mobilität. Freigesetzte Elektronen kehren über Prozess IV in Leitungsband zurück und beteiligen sich am Strom. Elektronen mit niedrigerer Energie werden auf Leitungsband angehoben und beteiligen sich am Strom (Prozess II). Nach einiger Zeit rekombinieren Elektronen mit Löchern im Valenzband (Prozess V). Zwei Streuprozesse: Fang-Elektronen-Streuungszentren und Elektron-Elektron-Streuung im Kanal. Mehr gefangene Elektronen an Grenzflächenzuständen verringern Träger-Mobilität und -Konzentration im Kanal. Anschließend wird Elektron-Elektron-Streuung abgeschwächt und wirkt auf Mobilitätserhöhung. Zusammen wirken diese beiden Streuprozesse auf den Strom und erzeugen ein Extrem um 10–20 K. Merkmal dieses Peaks: „Schwanz“-Struktur, stabiler Peak-Ort, anhaltende Photoleitfähigkeit bei ultra-schwacher Lichtbestrahlung. Bei ultra-schwachem Licht ist induzierte Photonenmenge nicht ausreichend, um gesättigten Photostrom sofort zu erreichen → anhaltender Photostrom bis Sättigung. Bei erhöhter Lichtintensität boostern photoexzitierte Träger den Strom und erreichen Extremwert innerhalb kurzer Ansprechzeit. Bei höherer Lichtintensität wird es komplexer: Überschuss-Träger über Sättigungszustände werden in Grenzflächenzustände gefangen. Beim Freisetzen in Leitungsband steigt Konzentration wieder. Zunehmende Elektron-Elektron-Streuung lässt Strom abfallen – verzögerter Effekt, erzeugt „Schwanz“.

Für zweiten Peak ~100–120 K wurde ähnlicher Peak-Shift in Bi₂Te₃-Film berichtet. Unsere Analyse zeigt Existenz von Rekombinationszentren in diesem Temperaturbereich. Intrinsischer Mechanismus ähnlich Bi₂Te₃, beide bezogen auf Balance von Photostrom (I_p) und Dunkelstrom (I_d). In unserem Fall ist I_d im gesamten Mess-Temperaturbereich nahezu konstant. I_p wird durch Minoritätsladungsträgerlebensdauer und Driftmobilität bestimmt. Diese beiden Parameter von InAsSb-Nanodrähten haben entgegengesetzte Temperaturabhängigkeit: Minoritätsladungsträgerlebensdauer ist umgekehrt proportional zu Temperatur (thermisch angeregte Dunkle Träger steigen mit Temperatur → Rekombinationsrate photogenerierter Träger steigt). Driftmobilität ist proportional zu Temperatur (höhere Temperatur → thermische Anregung in Nanodrähten). Peak entsteht, wenn I_p und I_d bei bestimmter Temperatur Balance erreichen (~100–120 K). Bei höherer Lichtintensität benötigen mehr photogenerierte Träger mehr thermisch angeregte Träger bei höherer Temperatur für Balance → zweiter Peak verschiebt sich zu höherer Temperatur bei steigender Lichtintensität. Abb. 4b zeigt Lichtintensitätsabhängigkeit der Photoleitfähigkeit (ΔG nicht normiert). Lichtintensität der LED steigt streng linear mit Eingangsstrom (Zusatzdatei 1: Abb. S6). Dies demonstriert Potenzial des InAsSb-Nanodraht-Array-Geräts als optisches Leistungsmessgerät.

Fazit

Zusammenfassend hat der Sandwich-strukturierte Photodetektor basierend auf InAsSb-Nanodraht-Array aufgrund der durch Endkontakt induzierten MIGS eine hervorragende optische Leistung erzielt. Interfacedipol und Lückenzustände unterdrücken Dunkelstrom und verbessern Detektionsfähigkeit. Native Defekte und fertigunginduzierte Defekte wirken als Grenzflächenzustände zur Modulation optischer Eigenschaften. Selbst bei ultra-schwachem Licht (4–20 nW/cm²) zeigt das Gerät offensichtlichen Photoresponse bei Raumtemperatur. Die Reaktion auf LEDs verschiedener Wellenlängen zeigte stärkste Ansprache auf Infrarotlicht (945 nm). Photoresponsivität und Photodetektivität betragen 40 A/W und 7×10¹¹ cm·Hz¹ᐟ²·W⁻¹. Diese Ergebnisse bestätigen, dass die Sandwichstruktur in dieser Studie Wiederholbarkeit und Zuverlässigkeit von Nanodraht-Geräten begünstigt, was den Weg für Fertigung nanodrahtbasierter Geräte ebnet. Am wichtigsten: Das Gerät kann in Umgebungsatmosphäre bei Raumtemperatur arbeiten – ein großer Durchbruch für Infrarotdetektion.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Alle Daten sind uneingeschränkt verfügbar. Datensätze, die während der aktuellen Studie verwendet und/oder analysiert wurden, sind auf vernünftige Anfrage beim korrespondierenden Autor erhältlich.

Abkürzungen

MBE:

Molekularstrahlepitaxie

1D:

Eindimensional

NW:

Nanodraht

BEP:

Strahläquivalenzdruck

VS:

Dampf-Fest

VLS:

Dampf-Flüssigkeit-Fest

EBL:

Elektronenstrahllithografie

RIE:

Reaktiv-Ionen-Ätzen

WZ:

Wurtzit

ZB:

Zinkblende

BFTEM:

Hellfeld-Rasterelektronenmikroskop

HRTEM:

Hochauflösendes Transmissionselektronenmikroskop

SAED:

Selektionierter Bereich Elektronenbeugung

EDS:

Energiedispersive Spektroskopie

MIGS:

Metallinduzierte Lückenzustände

IDEE:

Interfacedipol-Verstärkungseffekt

LED:

Lichtemittierende Diode