Propiedades fotoelectrónicas del detector de matriz de nanocables InAsSb de unión final bajo luz débil

Resultados y discusión

La Figura 1 muestra las investigaciones de microscopía electrónica de los InAsSb NW. La Figura 1a es una imagen SEM de vista inclinada, que muestra los diámetros de los NW en el rango de 100 a 200 nm y los rangos de longitud de 6 a 8 μm. La Figura 1b muestra una imagen TEM de campo claro (BF) de un NW individual típico, lo que indica una estructura de ahusamiento clásica. A lo largo de su dirección axial, la composición del NW muestra un cambio gradual moderado y la concentración media de Sb es alta hasta un 30% según nuestro análisis cuantitativo de EDS (detalles disponibles en el archivo adicional 1:Figura S2). La figura 1c muestra la imagen HRTEM de la parte media del NO, confirmando la existencia de los planos gemelos. El patrón de difracción de electrones de área seleccionada (SAED) que se muestra en la Fig. 1d también verifica la estructura de hermanamiento, y se pueden distinguir dos conjuntos de difracciones estructuradas ZB (mezcla de zinc). El elemento Sb puede utilizarse como tensioactivo y deprime la fase WZ (wurtzita) de InAs NWs [31], favoreciendo el cambio de fase de estructura de WZ a ZB. En nuestro caso, la relación V / III es ~ 11, lo que conduce a un entorno rico en V, que favorece la nucleación de la estructura ZB [32], pero dejando algunos planos gemelos. La investigación sobre la estructura de hermanamiento en InAsSb NWs afirmó que el desplazamiento en el límite causaría una distribución local desigual de Sb [12], favoreciendo la dispersión de electrones o la captura de portadores [33].

Investigaciones avanzadas de microscopía electrónica en InAsSb NW. un Una imagen SEM de vista inclinada de los NW. b Imagen TEM de campo claro (BF) de un NW individual. c Imagen TEM de alta resolución (HRTEM) tomada desde el medio del NO de la región marcada en b . d Patrón correspondiente SAED (difracción de electrones de área seleccionada) tomado de c

La estructura del dispositivo se ilustra en la figura 2a, en la que la película de Au cubre la parte superior e inferior de la matriz. La imagen SEM del dispositivo se muestra en el archivo adicional 1:Figura S3, donde la longitud restante es de aproximadamente 3 µm y casi todos los NW están integrados. El fotorresistente se utiliza para mantener la orientación de los NW e integrar los NW en un dispositivo de curado; de esta manera, el dispositivo es más antioxidante y adecuado para la aplicación. La estructura cónica se utiliza en dispositivos de matriz de NW de silicio amorfo, lo que demuestra una absorción de mejora y es insensible al ángulo de incidencia [34]. La Figura 2b es un mapa esquemático de la interfaz Au-InAsSb determinada por el modelo MIGS. La figura 2c, d confirma una conductancia casi constante independiente de la temperatura, y el valor de la conductancia es de aproximadamente 1 × 10 ^–7 Ω ⁻¹ . Las curvas I – V a 2 K y 300 K sin luz incidente se muestran en la Fig. 2d. El nanocable individual tiene un valor mucho mayor de la conductancia que se muestra en el archivo adicional 1:Figura S4. El dispositivo de matriz es equivalente a un circuito paralelo al que se unen miles de NW individuales, por lo que la conductancia teórica debería haber sido un valor mucho más considerable. Además, tenemos dos conocimientos básicos sobre los problemas relacionados con la conductancia:(1) la conductancia del NW individual muestra una fuerte dependencia de la temperatura; (2) los dispositivos de matriz hechos de InAs NW en nuestro estudio también tienen conductancia constante. Por lo tanto, llegamos a la conclusión de que el contacto entre el metal y el semiconductor en este dispositivo tiene una resistencia considerada que domina las características generales de salida.

Estructura y propiedades eléctricas del dispositivo de matriz InAsSb NW. un Croquis del dispositivo, con la imagen SEM que se muestra en el recuadro. b El diagrama de energía de los estados de la interfaz Au-InAsSb. c La conductancia dependiente de la temperatura del dispositivo. d Curvas I – V a 2 K y 300 K sin luz, respectivamente

Cuando Au se une en los NW de InAsSb a través de un contacto de enlace final, la transferencia de carga tiene lugar en la interfaz a través de las colas de las funciones de onda de electrones metálicos, lo que se denomina el continuo de MIGS [18]. La redistribución de la carga en la interfaz se produjo una vez que las formas de contacto provocarían el desarrollo de dipolos de interfaz [35]. Según el modelo MIGS, la altura de la barrera de la interfaz está determinada por \ ({\ Phi} _ {\ mathrm {Au}} \) (la función de trabajo del metal), \ ({\ Phi} _ {\ mathrm {NW }} \) (la afinidad electrónica del InAsSb NW) y \ ({\ Delta} _ {i} \) (la caída de voltaje debido a un dipolo de interfaz que se produce tras la formación de la interfaz). \ ({\ Delta} _ {i} \) es la distancia de los estados de separación inducidos por el metal. El estado electrónico se muestra en la Fig. 2b. El dipolo de interfaz podría crear una barrera adicional para los electrones [36], pero el efecto está restringido en una región del \ ({\ delta} _ {i} \). Sobre todo, las propiedades intrínsecas del dispositivo están moduladas por la gran resistencia de contacto parásito [37]. En nuestro dispositivo, la gran resistencia de contacto disminuye la corriente oscura de manera efectiva, mientras que el valor es independiente de la temperatura. De esta manera, la concentración de portador se puede restringir en un rango favorable para la detección de luz. Sin embargo, el mecanismo de resistencia de contacto debido a que el dipolo de la interfaz se mantiene constante con una variedad de temperaturas sigue siendo una investigación más detallada.

En la Fig. 3a, mostramos las corrientes del dispositivo de 2 a 120 K con y sin la iluminación de la luz, y el resto se muestra en el archivo adicional 1:Figura S5. Los estados de LED se sintonizan con el tiempo, en el que los estados de "ON" y "OFF" se mantendrían durante 60 s, respectivamente. Los valores de corriente específicos del LED que se muestran en los estados "ON" son 10, 20, 50, 100, 200, 500, 1000, 2000 y 3000 uA, respectivamente. La medición se toma a diferentes temperaturas de 2 a 300 K. El recuadro de la Fig. 3a muestra las condiciones con las tres luces más débiles (aproximadamente 4–10 nW / cm ² ) iluminación, lo que indica una tendencia similar a la de la Fig. 3a. Sin embargo, se pueden establecer comportamientos ópticos diferentes obvios con la luz más débil, especialmente para la velocidad de respuesta más lenta y una fotoconductancia ligeramente persistente. La Figura 3b muestra el tiempo de respuesta del dispositivo a 20 K, mientras que la corriente del LED es 2000 μA. Cabe señalar que la Fig. 3c se obtiene en el entorno ambiente a temperatura ambiente. Más importante aún, la fuente de luz que usamos aquí son todos los LED, y los valores de intensidad de la luz son 4000 nW / cm ² (260 nm), 558 nW / cm ² (620 nm) y 14 nW / cm ² (945 nm), respectivamente. Aparte de la fotorreactividad, de las velocidades de respuesta con diferentes longitudes de onda de luz, podemos concluir que los InAsSb NWs tienen una mejor respuesta a la luz infrarroja.

Dependencia del tiempo de la conductancia fuente-drenaje a diferentes temperaturas. un La fotorrespuesta del dispositivo a diferentes temperaturas a 620 nm LED con la diferente corriente de entrada. b El tiempo de respuesta del dispositivo a 20 K, mientras que la corriente de entrada del LED es 2000 μA. c El rendimiento fotoeléctrico de dependencia de la longitud de onda del dispositivo a temperatura ambiente con la iluminación de 260 nm, 620 nm y 945 nm. El recuadro muestra una versión ampliada de la fotorrespuesta a LED de 260 nm

La Figura 3a muestra que nuestro dispositivo tiene una respuesta positiva rápida y obvia ante el cambio de estado del LED a diferentes temperaturas, y la fotoconductancia aumenta con la corriente del LED. Sin iluminación de luz, la conductancia del dispositivo es de aproximadamente 1.04 × 10 ^–7 Ω ⁻¹ , que concuerda con la prueba de salida que se muestra en la Fig. 2c. A una temperatura fija, el valor de Δ G (definida como la conductancia menos la conductancia oscura) aumenta casi linealmente con la corriente del LED que representa la intensidad de la luz. Cuando se bloqueó la fuente de luz, la corriente del dispositivo se recupera inmediatamente al estado original. El valor máximo de Δ G en este gráfico es 3,2 × 10 ^–8 Ω ⁻¹ en 10 K. Cabe señalar que en este gráfico se pueden distinguir dos tipos de fotorrespuesta:

1. 1.

   para la mayoría de las temperaturas, las corrientes aumentan rápidamente una vez que se enciende el LED, y las corrientes son estables mientras el LED esté encendido;

2. 2.

   a 10 K y 20 K, la corriente también aumenta rápidamente con la iluminación de la luz. Sin embargo, la corriente tiene una ligera disminución con el LED encendido, dejando una cola en la trama, que no se encuentra en otras temperaturas.

Para aclarar el mecanismo intrínseco en los dos tipos diferentes de fotorrespuesta, la información de la velocidad de respuesta a 20 K cuando la corriente del LED es 2000 μA se extrae como evidencia y los valores específicos se muestran en la Fig. 3b. El tiempo de respuesta [38, 39] ( τ _ris que representa el intervalo de tiempo desde el pico de corriente del 90% hasta el pico de corriente del 10%) se determina como 1,8 s, mientras que el tiempo de recuperación ( τ _rec definida de manera opuesta) es de 2,4 s, que es casi una constante en todo el rango de temperatura. Para 10 K y 20 K, el tiempo de retardo de la estructura de "cola" es de aproximadamente 15,7 s, lo que sorprendentemente está ausente cuando la iluminación de la corriente del LED es inferior a 500 μA. Combinado con la condición de luz débil en el recuadro de la Fig. 3a, se pueden demostrar tres tipos de fotorrespuesta a 10 K y 20 K. Con la luz más débil (10–50 μA), la corriente aumenta lentamente con el tiempo. Cuando la corriente del LED aumenta a 100–500 μA, la respuesta se vuelve rápida. Una vez que la corriente supera los 1000 μA, se forma la cola. En otras palabras, solo una intensidad de luz suficiente puede desencadenar la estructura transitoria de "cola". Se han reportado ampliamente estructuras similares de “cola” en InAs NWs [40, 41]. Las fuentes de luz en estos informes son todas láseres con una alta intensidad de luz, lo que es consistente con nuestro resultado de que la estructura de "cola" solo aparece en las zonas de luz de alta intensidad. Afirmaron que la “cola” proviene del efecto rezagado que corresponde a la captura y eliminación de trampas de los transportistas en los estados de superficie [42]. Para InAsSb NWs en nuestro caso, los estados superficiales son más inevitables debido al severo efecto tensioactivo incorporado con Sb [43]. Por lo tanto, anticipamos que la estructura de "cola" se origina a partir de los estados defectuosos de la estructura de hermanamiento que solo atrapa electrones a ciertas temperaturas con una ayuda de luz lo suficientemente fuerte.

Para un fotodetector dado, la fotorrespuesta se puede expresar mediante [44]

donde \ ({I} _ {\ mathrm {p}} \) es la fotocorriente del dispositivo, \ (P \) es la potencia de la luz en el dispositivo y \ (A \) representa el área efectiva del dispositivo. Para nuestro dispositivo, el área efectiva del dispositivo es 1 mm ² que está determinada por la máscara utilizada durante la evaporación de los electrodos, y el área de recepción de luz del fotómetro es de 0,9 cm ² . Bajo esta circunstancia, se puede determinar que la fotorreactividad del dispositivo es de 4.25 mA / W (260 nm), 1.27 A / W (620 nm) y 28.57 A / W (945 nm), respectivamente, lo que confirmó aún más el potencial de InAsSb Dispositivo con estructura sándwich NW en detección de infrarrojos.

La fotodetectividad de un dispositivo se puede presentar como [14]

donde R es la fotorrespuesta del dispositivo y e es la carga electrónica. yo _oscuro representa la corriente oscura del dispositivo y el valor es 10,8 nA. Con la corriente oscura suprimida en la estructura sándwich InAsSb NW, los valores de \ ({D} ^ {*} \) del fotodetector alcanzan 7,28 × 10 ⁷ (260 nm), 2 × 10 ¹⁰ (620 nm) y 4,81 × 10 ¹¹ cm · Hz ^1/2 W ⁻¹ (945 nm), respectivamente. En particular, la relación de trabajo de los NW en esta estructura de matriz es inferior al 50%, lo que hace que el R real y \ ({D} ^ {*} \) más grande que el resultado que calculamos. La alta R y \ ({D} ^ {*} \) no solo se atribuyen al efecto de captura de luz del dispositivo de matriz, sino que también se originan en la estructura de la interfaz [2]. En comparación con los fotodetectores basados ​​en nanocables resumidos en la Ref. [45], la temperatura de funcionamiento de 300 K para nuestro dispositivo tiene un potencial de aplicación superior en escenarios del mundo real [6]. Además, en el rango de temperatura ambiente, la fotorreactividad de nuestro dispositivo de matriz InAsSb NW de fácil fabricación (28,57 A / W a 945 nm) podría superar la mayoría de los dispositivos basados ​​en NW más complicados (WSe ₂ / Bi ₂ Te ₃ :20 A / W a 980 nm [46], PtSe ₂ / perovskita:0,12 A / W a 800 nm [47]). Aunque el dipolo de interfaz es inalcanzable experimentalmente, las características de salida en la Fig. 2 podrían proporcionar evidencia sólida de su existencia en nuestro dispositivo. Como se sugirió en la discusión anterior, la capa interfacial del dispositivo podría funcionar como la red del dipolo óptico con la iluminación de la luz, lo que podría contribuir a un factor de mejora de campo más grande. Este efecto se conoce como efecto de mejora del dipolo de interfaz (IDEE) en estudios anteriores [48]. El IDEE funciona para un rango de longitud de onda más grande que el efecto de mejora del plasmón superficial que solo existe dentro del rango de longitud de onda de resonancia. El efecto de mejora alrededor de los estados interfaciales y el efecto de captura de luz del dispositivo de matriz trabajan juntos para la detección de luz débil en nuestro dispositivo.

La figura 4 muestra la relación entre la fotorrespuesta del dispositivo InAsSb NW en función de las temperaturas (figura 4a) y la intensidad de la luz (figura 4b). El valor de \ ({I} _ {p} \) es el valor extremo que la fotocorriente puede obtener con la luz encendida. La fotorrespuesta se normaliza por la intensidad de luz exacta para proteger su influencia sobre la tendencia. Al principio, podemos concluir una tendencia similar con una iluminación de diferente intensidad de luz. En todas las parcelas, la fotoconductancia absoluta aumenta de 2 a 20 K y luego disminuye hasta 80 K, dejando el primer pico alrededor de 20 K y el segundo pico alrededor de 100-120 K. El rango de temperatura de este pico está de acuerdo con la temperatura específica rango donde existe la “cola” de fotocorriente transitoria. El otro pico es de alrededor de 100 a 120 K, y su ubicación específica cambia a una zona de temperatura más alta con el aumento de la intensidad de la luz.

un La dependencia de la temperatura de Δ G medido con diferentes intensidades de luz. b La dependencia de potencia de Δ G medido a diferentes temperaturas. c La estructura de banda del dispositivo con voltaje de polarización. d La estructura de la banda del dispositivo con la iluminación ligera

La fotocorriente podría expresarse mediante [28]

$$ {I} _ {p} =qg {V} _ {\ mathrm {NW}} [\ tau {\ mu} _ {d} / l] $$ (3)

donde \ (q \) es la carga elemental, \ (g \) es la tasa de generación de la fotoportadora, \ ({V} _ {\ mathrm {NW}} \) es el volumen NW, \ (\ tau \) es el tiempo de vida del portador minoritario, y \ ({\ mu} _ {d} \) es la movilidad de deriva y \ (l \) es la longitud NW. Esta ecuación aclara la vida útil de la portadora minoritaria y la movilidad de deriva son dos parámetros clave para la fotocorriente [43]. El proceso optoeléctrico del dispositivo de matriz InAsSb se muestra en la Fig. 4c, d. Antes de que se importe la luz, la transferencia de electrones entre Au e InAsSb NW forma la corriente oscura. Los estados de brecha debidos al dipolo de interfaz son lo suficientemente cortos para que la portadora transfiera con suficiente impulso. En nuestro dispositivo, los estados de interfaz inducidos por la estructura de hermanamiento nativa y los defectos inducidos fabricados pueden actuar como estados de captura. Con la luz encendida, los electrones en exceso con suficiente energía e impulso quedarían atrapados en los estados de la interfaz, como se muestra en los procesos I y III. La disminución de la concentración de electrones hace que la movilidad en el canal aumente y prolonga la vida útil de los electrones fotogenerados. Por otro lado, los electrones atrapados en el estado de interfaz dispersan los electrones en el canal y hacen que la movilidad disminuya. Los electrones liberados volverían a la banda de conductancia a través del proceso IV y participarían en la corriente. Los electrones con menor energía serían motivados hacia la banda conductora y participarían en la corriente como se muestra en el proceso II. Después de un tiempo, los electrones se recombinarían con los huecos que quedan en la banda de valencia como se muestra en el proceso V. Podemos concluir dos tipos de procesos de dispersión en el dispositivo:los centros de dispersión de los electrones que atrapan y la dispersión de electrones a electrones en el canal [49] . Más electrones atrapados en los estados de la interfaz disminuirían la movilidad del portador y la concentración del portador en el canal. Posteriormente, la dispersión electrón-electrón se debilitaría y actuaría a su vez sobre el aumento de la movilidad. En conclusión, estos dos procesos de dispersión cooperarían con la corriente y alcanzarían un extremo alrededor de 10-20 K. La característica notable de este pico es la estructura de "cola", el sitio del pico estable y la fotoconductancia persistente con la iluminación de luz ultradébil. Con la iluminación de luz ultra débil, la cantidad inducida de fotones no es suficiente para alcanzar la fotocorriente saturada de una vez. Por tanto, el dispositivo muestra una fotocorriente persistente hasta la saturación. Cuando se aumenta la intensidad de la luz, los portadores fotoexcitados aumentan la corriente y alcanzan el valor extremo en un tiempo de respuesta corto. Sin embargo, es más complicado con mayor intensidad de luz. Los portadores en exceso sobre los estados saturados quedan atrapados en los estados de la interfaz. Cuando los electrones atrapados se liberan a la banda de conductancia, la concentración aumenta nuevamente. El aumento de la dispersión de electrones a electrones hace que la corriente disminuya, lo que se conoce como efecto retardado, y crea la estructura de "cola".

Para el segundo pico alrededor de 100-120 K, se ha informado un cambio de pico similar en Bi ₂ Te ₃ película [50]. Nuestro análisis indica la existencia de centros de recombinación en este rango de temperatura. El mecanismo intrínseco es similar a Bi ₂ Te ₃ , ambos relacionados con el equilibrio de la fotocorriente (\ ({I} _ {\ mathrm {p}} \)) y la corriente oscura (\ ({I} _ {\ mathrm {d}} \)). En nuestro caso, \ ({I} _ {\ mathrm {d}} \) es casi constante en todo el rango de temperatura de medición. \ ({I} _ {\ mathrm {p}} \) está determinado por el tiempo de vida del transportista minoritario y la movilidad de deriva. Observó que estos dos parámetros de InAsSb NW tienen relaciones dependientes opuestas con la temperatura. Para la vida útil de los portadores minoritarios, los portadores oscuros excitados térmicamente aumentan con la temperatura, así como con la tasa de recombinación de los portadores fotogenerados [51]. Por tanto, la vida útil del portador minoritario es inversamente proporcional a la temperatura. La movilidad de la deriva es proporcional a la temperatura, ya que la alta temperatura genera el efecto de excitación térmica en los NW. El pico surge cuando \ ({I} _ {\ mathrm {p}} \) y \ ({I} _ {\ mathrm {d}} \) alcanzan el equilibrio a una cierta temperatura, que es aproximadamente de 100 a 120 K Con una mayor intensidad de luz, una mayor cantidad de portadores fotogenerados necesitarían más portadores excitados térmicamente a una temperatura más alta para requerir equilibrio. Por lo tanto, el segundo pico cambia a una temperatura más alta cuando aumenta la intensidad de la luz. La Figura 4b muestra la fotoconductividad dependiente de la intensidad de la luz del dispositivo InAsSb NW, donde el Δ G los valores no están normalizados. Como puede verse, la intensidad de la luz del LED aumenta estrictamente de forma lineal con la corriente de entrada (consulte el archivo adicional 1:Figura 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.

Conclusiones

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 , respectivamente. 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.

Disponibilidad de datos y materiales

All data are fully available without restriction. Los conjuntos de datos utilizados y / o analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente a solicitud razonable.

Abreviaturas

MBE:

Epitaxia de haz molecular

1D:

Unidimensional

NW:

Nanocable

BEP:

Haz de presión equivalente

VS:

Vapor–solid

VLS:

Vapor–liquid–solid

EBL:

Litografía por haz de electrones

RIE:

Reactive ion etching

WZ:

Wurtzita

ZB:

Mezcla de zinc

BFTEM:

Bright-field scanning electron microscope

HRTEM:

Microscopio electrónico de transmisión de alta resolución

SAED:

Difracción de electrones de área seleccionada

EDS:

Energy disperse spectroscopy

MIGS:

Metal-induced gap state

IDEE:

Interface dipole enhancement effect

LED:

Light emitting diode

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