浙江一对夫妇靠筷子撑IPO
06-17
中国科学技术大学中国科学技术大学微电子学院龙世兵教授和孙海定研究员团队于氮化镓（GaN）半导体p-n异质结实现了独特的光电流极性反转（即双向光电流现象）。
相关成果于9月23日发表于《自然?电子学》，标题为“Bi Direction photocurrent in p-n heterojunction nanowires”（Nature Electronics，4，-）。
这是中国科大首次以第一作者在电子器件领域知名期刊《Nature Electronics》上发表研究论文。
半导体 p-n 结具有独特的整流特性，是许多电子元件的基本构建模块。
基于此构建的传统固态光电探测器可以捕获光信号并将其转换为输出电信号，并得到广泛应用。
在成像、传感、检测等领域。
但此类器件受到传统p-n结工作机制的限制，其工作特性必须遵守以下原则：（1）入射光子能量大于半导体的带隙； (2)在固定偏压下，产生的光电流指向固定的单向流(单向光电流)，极大地限制了其在特殊应用场景(如高分辨率多色成像、生物光电检测、便携式小型光谱仪、多光谱仪等)的应用。
-通道光通信和光逻辑运算等）。
近年来，脱离经典固态光电探测器的光电化学光电探测器（PEC PD）引起了人们的浓厚兴趣。
它们的工作过程不仅包括传统半导体物理中载流子的产生、分离和传输过程，还涉及电子和空穴在半导体表面/电解质界面的氧化/还原反应过程。
重要的是，在光电检测传感过程中，通过将化学反应过程与经典半导体物理过程交叉，为控制载流子输运过程、实现半导体器件中电流信号的多维调控提供了新的自由度。
花费。
因此，过去两年，团队利用分子束外延（MBE）技术制备的高晶体质量氮化镓（GaN）纳米线构建了光电化学光电探测器[Nano Letters，21，；先进光学材料，9，]。
此外，详细讨论了GaN基p-n结纳米线内部的电荷转移动力学，并通过修饰半导体纳米线表面的贵金属纳米粒子实现了电荷转移动力学的可控调制和高效的紫外光检测[Advanced Function Materials，31， ]。
图1 装置工作原理示意图。
基于前期工作的积累，研究人员从GaN基半导体p-n异质结能带结构设计、MBE外延工艺探索和纳米线形貌控制入手，结合DFT第一性原理理论计算优化并通过金属铂（Pt）的定向修饰成功构建了基于 p-AlGaN/n-GaN 异质 p-n 结的光谱可分辨光电探测器 [Nature Electronics, 4, –]。
图1是该装置的工作原理示意图。
在固定偏压下，该器件在两种不同波长的光照射下表现出独特的光电流极性反转现象：在nm照明下光电流为负，而在nm照明下光电流为正。
具体来说，为了实现光电流极性反转，采用专门设计的顶部p-AlGaN与底部n-GaN一起吸收波长为nm的光（图1b）。
在纳米光照射下，p-AlGaN 和 n-GaN 中同时产生电子-空穴对（图 1a）。
其中，电解质溶液中p-AlGaN的表面能带向下弯曲有利于光生电子漂移到纳米线表面，驱动质子还原反应，而光生空穴则迁移到纳米线的空间电荷区。
p-n 结和 GaN 产生的 n 光生电子隧道复合。
同时，n-GaN中的光生空穴流经外部电路，呈现负光电流信号。
当纳米线暴露在 nm 光下时，由于 p-AlGaN 不吸收 nm 光，只有 n-GaN 吸收 nm 光并产生光生电子空穴对。
然后，电解质溶液中n-GaN的向上表面能带弯曲作为驱动力，促使n-GaN中的光生空穴漂移到纳米线/溶液界面并进行水氧化反应。
同时，在表面能带弯曲和p-n结内置电场的共同作用下，电子漂移出电路并被记录为正光电流。
此外，理论计算证实，通过对半导体p-AlGaN表面的贵金属Pt纳米颗粒进行修饰，可以有效提高氢吸附自由能，提高光电化学光检测过程中的光生载流子分离效率。
据此，研究人员利用光化学还原方法成功地对纳米线p-AlGaN晶面上的Pt纳米粒子进行了定向修饰(1)（图2b-d）。
最后，在固定偏置电压下，研究人员成功观察到不同波长光下GaN基pn结纳米线的光电流极性反转现象（图2a）。
图 2. 器件在不同波长光下的光响应性 (a) 和 Pt 纳米粒子修饰的 p-n 异质结纳米线的形貌表征 (b、c、d)。
这种新的器件架构不仅克服了传统固态p-n结光电探测器件的功能限制，通过改变半导体材料本身的带隙（如元件控制等），实现了从深紫外到全光谱响应覆盖还可以实现到近红外，有望用于便携式光谱仪、液体环境（如水下、体内）光电检测与传感、高分辨率多通道光电传感器/成像设备等未来新的跨学科领域、光控逻辑电路将带来新的应用突破。
中国科学技术大学微电子学院孙海丁研究员为论文通讯作者，微电子学院博士生王丹浩为论文第一作者，微电子学院胡伟研究员为论文第一作者。
合肥微尺度物理科学国家研究中心、美国密歇根大学米泽田教授、澳大利亚国立大学付兰教授（中国科学技术大学微电子学院客座教授）参与联合研究项目。
该研究工作得到了国家自然科学基金、中国科学技术大学双一流建设基金、中央高校基本科研业务费专项资金等资助。
并得到了中国科学技术大学微电子学院、中国科学技术大学微纳研究与制造中心、中国科学技术大学信息技术学院的支持中国。
得到中国科学院科学实验中心、国家同步辐射实验室、无线光电通信重点实验室的支持。
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