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    杨再兴课题组在超快响应红外探测领域取得重大进展
    2019-08-14 15:08   审核人:

      超快响应速度是新一代红外探测器的主要特征之一。提高器件沟道材料的迁移率将有利于提升红外探测器的探测速度。在III-V族半导体材料中,由于具有较窄的禁带宽度(0.72 eV)和超高的理论空穴迁移率(1000 cm2 V-1 s-1),锑化镓(GaSb)在制造高性能红外探测器方面具有先天的优势。同时,随着光电子器件尺寸的不断减小,一维纳米线材料越来越多的被研究于高性能光电器件沟道材料。然而,受限于较低的空穴迁移率,GaSb米线基光电子器件的发展比较缓慢。基于此,在近五年的时间里,杨再兴一直致力于高迁移率GaSb纳米线的制备及其光电性能优化工作,并在近期取得重大突破。

    在前期的工作中,采用传统的化学气相沉积法(CVD)合成GaSb纳米线会遇到纳米线横向生长的问题,导致其直径无法控制、晶体质量差、空穴迁移率一般小于40 cm2 V-1 s-1ACS Appl. Mater. Interfaces, 2013, 5, 10946)。为了解决该难题,杨再兴等人在纳米线生长过程中采用硫作为表面活性剂原位钝化纳米线表面原子以抑制纳米线横向生长,成功实现了直径可控、生长方向可控、本征空穴迁移率达理论极限值(330-400 cm2 V-1 s-1,载流子浓度1018 cm-3)的GaSb纳米线Nat. Commun., 2014, 5, 5249; ACS Nano2015, 9, 9268; ACS Nano, 2017, 11, 4237)。

    一般来讲,掺杂可以调节半导体的载流子浓度、晶体缺陷等,进而实现对半导体迁移率的调控。在GaSb材料中,其空穴来源于Ga占据Sb位(占主导)和Ga空位(高质量晶体中,可以忽略)。通过第一性原理计算可以预测:采用Sn(与Sb原子接近)作为轻掺杂源时,SnGa相比,更易于占据Sb位(产生一个空穴),减少了Ga占据Sb位的数量(产生二个空穴)。即:通过Sn轻掺杂,GaSb的空穴浓度将减小,有利于迁移率的提高。另外,第一性原理计算还预测到:Sn掺杂GaSb后,体系的禁带宽度及载流子有效质量均进一步减小,空穴迁移率将增加。需要注意的是,重掺杂将增加半导体的载流子浓度,增强库仑散射,减小半导体迁移率。因此,如何实现SnGaSb纳米线的轻掺杂是研究的难点,将进一步提升GaSb纳米线的空穴迁移率,为实现超快响应的红外探测器提供理想的沟道材料。

    杨再兴课题组孙嘉敏同学(博士一年级研究生)和冯润发同学(物理学院本科生,已毕业保研清华大学)发现:在纳米线的生长过程中,所使用的金属催化剂会微量的掺杂到纳米线晶体中。受此启发,他们在表面活性剂辅助CVD方法中,采用金属锡作为纳米线生长的催化剂和轻掺杂源,得到了超高空穴迁移率的GaSb纳米线(空穴迁移率超过1000 cm2 V-1 s-1)。利用接触印刷技术,他们实现了对1550 nm红外光具有超快响应(上升/下降时间为195.1 μs/380.4 μs)的GaSb纳米线阵列红外探测器。该研究工作以“Ultrahigh hole mobility of Sn-catalyzed GaSb nanowires for high speed infrared photodetectors”为题于201982日在线发表于Nano LettersDOI: 10.1021/acs.nanolett.9b01503),山东大学为本论文第一通讯单位。

    . 超高迁移率锡催化GaSb纳米线及纳米线阵列红外探测器件。

    该研究得到中科院上海技术物理研究所胡伟达研究员团队、湖南大学潘安练教授团队、山东大学戴瑛教授团队及马衍东教授课题组、东南大学贺龙兵副教授课题组、郑州大学单崇新教授团队、山东大学庞智勇副教授的指导和支持。本研究得到了国家重点研发计划(2017YFA0305500),山东省泰山学者青年专家项目(ZR2017MF037),深圳市自由探索项目(JCYJ20170307093131123),山东大学齐鲁青年学者启动项目及山东大学杰出青年学者等项目的支持。

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