Fotodetectores de nanohilos InAsSb de contacto extremo con sensibilidad mejorada a baja luz

Resumen

En este estudio se demuestra una fabricación simple de detectores de arreglo de nanohilos (NW) InAsSb con contactos de extremo. El detector se fabrica usando arreglo de NW InAsSb crecido por epitaxia de haz molecular (MBE) sustrato GaAs. Los estados de gap inducidos por metal (MIGS) son inducidos por el contacto de extremo, lo que suprime la corriente oscura a diversas temperaturas. La existencia del dipolo interfacial debido a los estados de gap interfacial mejora la excitación lumínica alrededor del campo local y así mejora la fotorresponsividad y fotodetectividad a luz débil. La intensidad de la fuente de luz infrarroja en este informe es 14 nW/cm², que es aproximadamente 3 a 4 órdenes de magnitud menor que la fuente láser. La responsividad del detector ha alcanzado 28,57 A/W a temperatura ambiente con radiación lumínica (945 nm), mientras que la detectividad es 4,81 × 10¹¹ cm·Hz^1/2 W⁻¹. Surge un rendimiento anómalo dependiente de la temperatura en experimentos a temperatura variable, y discutimos el mecanismo detallado detrás de la relación no lineal entre la fotorrespuesta del dispositivo y las temperaturas. Además, las características optoelectrónicas del detector clarificaron que el efecto de atrapamiento de luz y el efecto de fotogating de los NW pueden mejorar la fotorrespuesta a luz débil desde ultravioleta a infrarrojo cercano. Estos resultados destacan la factibilidad del detector de arreglo NW InAsSb para luz infrarroja débil sin sistema de enfriamiento.

Introducción

Como una rama importante de semiconductores III-V de banda prohibida estrecha, InAsSb tiene los beneficios heredados de InAs como masa efectiva de electrón pequeña y alta movilidad electrónica [1, 2]. Cuando el elemento Sb se introduce en InAs, la longitud de onda de corte de respuesta del InAsSb ternario podría extenderse al rango infrarrojo de onda larga debido al efecto de curvatura de banda prohibida [3]. Consecuentemente, InAsSb es considerado un candidato ideal en el área de detección infrarroja [4,5,6]. En el campo de la optoelectrónica, las nanoestructuras unidimensionales (1D) [7] tienen propiedades únicas tremendas, incluyendo gran área superficial con numerosos estados de trampa, largo camino para absorción de fotones y estructura mecánicamente flexible debido a sus enormes relaciones de aspecto [8]. Además, durante su desarrollo, las nanoestructuras 1D pueden liberar fácilmente el desajuste de red a sustratos y a su vez lograr alta calidad cristalina [9]. Aquí, las aplicaciones para optoelectrónica como fotodetectores [10], celdas solares [11] basadas en nanoestructuras 1D atraen tremendo interés investigativo. Entre ellos, las estructuras de dispositivo adaptadas [12] se propusieron para lograr absorción de luz optimizada y recolección de luz de banda ancha, haciendo que las nanoestructuras 1D sean adecuadas para escenarios de aplicación variados y logrando componentes compatibles con circuitos integrados basados en silicio. Recientemente, fotodetectores basados en NW individuales de InAs han demostrado su potencial en detección infrarroja [13]. Con la adición de Sb, el InAsSb ternario puede ser accesible a través del rango espectral amplio para detección a temperatura ambiente [14]. Con la pasivación de Al₂O₃, detectores basados en NW InAsSb han logrado detección sin enfriamiento al espectro infrarrojo de onda media [15]. Sin embargo, las fuentes de luz convencionales ampliamente aplicadas en estos estudios son láseres de alta intensidad y la mayoría de estos dispositivos no pueden operar a temperatura ambiente [16]. Además, la estructura de dispositivo convencional basada en NW no es amigable para la aplicación en masa en circuitos integrados compatibles. Hay tres tipos principales de detectores tradicionales basados en NW InAsSb, incluyendo dispositivo NW individual [17], pozos cuánticos incrustados en NW InAs [3] y dispositivo NW individual vertical [14]. Todos ellos requieren procesos de nanofabricación costosos, como litografía de haz de electrones (EBL) y grabado iónico reactivo (RIE). Aquí, la innovación en la estructura del dispositivo es urgente para la aplicación de NW.

La interfaz siempre juega un papel vital en el rendimiento óptico y eléctrico del dispositivo a pesar del tamaño limitado, haciendo la ingeniería de contactos en dispositivos basados en NW otro factor esencial [18]. Por ejemplo, una celda solar con excelentes propiedades de fotodetección omnidireccional a luz débil se logró en la estructura híbrida utilizando la interfaz entre puntos cuánticos de grafeno y poliestireno sulfonato [19]. En este estudio, modulamos el rendimiento optoeléctrico del dispositivo usando la estructura de banda en la interfaz entre electrodo y semiconductor. La redistribución de carga ocurre en la interfaz metal-semiconductor, y la transferencia de carga ocurre entre el metal y las colas de funciones de onda del metal en el semiconductor. La redistribución se refiere a MIGS, que podría inducir estados de gap y dipolo interfacial en los estados interfaciales [20]. Sin embargo, los resultados de simulación del modelo MIGS aún tienen desviaciones con experimentos, lo que se considera resultado de defectos interfaciales, defectos inducidos por fabricación y anclaje de nivel Fermi [21]. Especialmente para NW InAsSb con ricos estados de superficie, el anclaje de nivel Fermi es inevitable, de modo que los estados de gap inducidos filtrarían la transferencia de carga. De esta manera, la corriente oscura del dispositivo podría suprimirse en un rango aceptable. Además, el dipolo interfacial podría mejorar la excitación lumínica en el campo local, lo cual es esencial para la detección de luz débil. Basado en la discusión de Chu et al., las uniones de contacto extremo son más propensas a lograr el solapamiento de estado entre metal y semiconductor que las uniones de contacto plano [18]. Sin embargo, el dispositivo de contacto extremo vía NW individual enfrenta obstáculos en la fabricación. Aquí, proponemos una solución usando arreglos NW para lograr el contacto de extremo entre NW y metal. Comparado con fotodetectores convencionales, los dispositivos de arreglo NW estructurados en sándwich tienen las ventajas de fácil fabricación y alta adaptabilidad ambiental [22, 23]. El relleno (AZ5214), que se recubre por centrifugado y hornea alrededor de los NW durante el proceso de fabricación, hace el dispositivo más estable y anti-oxidante al ambiente. Cuando la luz se introduce en el arreglo NW, refleja y refracta en direcciones diferentes múltiples veces, impulsando la absorción de luz en el interior [24, 25]. El camino de luz prolongado en el arreglo NW se refiere como efecto de atrapamiento de luz [26, 27], que se usa ampliamente en dispositivos de arreglo basados en NW. Tanto la estructura de banda como la estructura del dispositivo dan al dispositivo potencial para detección de luz débil a temperatura ambiente.

En este estudio, fabricamos el dispositivo de arreglo NW basado en NW InAsSb crecidos por MBE (epitaxia de haz molecular). Los estados de gap y dipolo interfacial inducidos por el contacto metal-semiconductor podrían suprimir la corriente oscura e impulsar la detección de luz por separado [28]. El efecto de atrapamiento de luz de la estructura de sándwich del arreglo NW contribuye a la detección de luz débil [29]. La corriente oscura suprimida a temperatura ambiente minimiza grandemente el ruido de detección y permite la detección a temperatura ambiente [30]. La estructura de dispositivo curado hace que el dispositivo pueda trabajar en ambiente ambiente. Además, la fotorrespuesta del dispositivo fluctúa con la temperatura porque se anticipan estados interfaciales complicados. Con temperatura constante, el valor de fotocorriente aumenta linealmente con la intensidad de luz incidente, lo que demostró potencial para medidor de potencia óptica.

Métodos/Experimental

NW InAsSb fueron crecidos en sustratos GaAs {111}B usando el sistema MBE (Riber 32 R&D) con un sistema de evaporación de Au in situ. El sustrato epi-listo fue pretratado para remover contaminación. Luego, una capa buffer GaAs fue depositada a 540 °C durante 15 min y las nanopartículas de Au se formaron vía proceso de evaporación y recocido. Tallos InAs fueron crecidos durante 20 min con temperatura mantenida constantemente a 380 °C, y luego la fuente Sb fue introducida a la cámara de crecimiento durante 60 min. Durante el crecimiento NW, la presión equivalente de haz (BEP) de In se mantuvo como 2,7 × 10^–7 mbar, la BEP de As fue 2,2 × 10^–6 mbar, y la BEP de Sb fue 7 × 10^–7 mbar, llevando a una relación de flujo V/III de ~ 11 y relación Sb/As de ~ 0,3.

Para la fabricación del dispositivo, AZ5214 (fotorresistente) se empleó como agente de sostén para mantener las orientaciones de NW. Luego, el arreglo NW con el sustrato se recubrió por centrifugado con AZ5214 a 3000 rpm durante 30 s y horneó durante 2 min a 120 °C. El gel AZ5214 es transparente, minimizando la pérdida de luz durante la medición. Para exponer las puntas de los NW, la superficie del arreglo fue pulida por un medidor de cizalla de precisión (Logitech). Las capas InAsSb formadas en la superficie del sustrato durante el crecimiento NW vía mecanismo VS (vapor-sólido) pueden actuar como electrodo drenaje. Según la medición Hall de capas epi InAsSb (mostrada en Archivo Adicional 1: Figura S1), la concentración de portadores a temperatura ambiente es aproximadamente 2 × 10¹⁷ cm⁻³, mientras que la movilidad es aproximadamente 1,6 × 10⁴ cm²/(V·s) a temperatura ambiente. Después, película Au con espesor nominal de 8 nm fue depositada en áreas seleccionadas, una de ellas en la cima del arreglo, y la otra en la capa epi. El pequeño espesor de Au depositado asegura la fotopermeabilidad del electrodo y pérdida de luz aceptable durante las mediciones.

Las características morfológicas, químicas y estructurales de los NW InAsSb obtenidos fueron investigadas usando SEM (FE-SEM, JEOL 7800F) y TEM [TEM, Philips Tecnai F20, equipado con espectroscopía de dispersión de energía (EDS) para análisis composicional]. NW individuales para análisis TEM fueron preparados por ultra-sonificación de muestras NW en etanol y dispersándolas sobre rejillas Cu soportadas por películas de carbono.

Las mediciones de fotoconductividad se tomaron en un criostato de ciclo cerrado de helio equipado con LEDs como fuentes de luz. La temperatura en este sistema puede modularse entre 2 K y temperatura ambiente continuamente, mientras que la intensidad de luz de LEDs puede ajustarse fácilmente por la corriente de entrada. LEDs con variedad de longitudes de onda incluyendo 260 nm, 620 nm y 945 nm fueron empleados en este estudio. La intensidad de luz de LED está relacionada tanto con temperatura como con corriente de entrada. La intensidad aumenta linealmente con corriente y disminuye con temperatura. Los valores de intensidad de luz a temperatura ambiente en esta medición son 4000 nW/cm² para 260 nm, 558 nW/cm² para 620 nm y 14 nW/cm² para 945 nm. La información relacionada de intensidad de luz puede encontrarse en Ref. [30]. Un voltaje constante V_DS = 100 mV fue aplicado entre fuente y drenaje. La respuesta de fotoconductividad puede obtenerse mediante ajuste ON/OFF de los LEDs.

Resultados y Discusión

La Figura 1 muestra investigaciones de microscopía electrónica de los NW InAsSb. La Figura 1a es una imagen SEM de vista inclinada, mostrando que los diámetros de los NW varían de 100 a 200 nm y la longitud varía de 6 a 8 μm. La Figura 1b muestra una imagen TEM de campo brillante (BF) de un NW individual típico, indicando una estructura cónica clásica. A lo largo de su dirección axial, la composición del NW muestra un cambio gradual moderado y la concentración promedio de Sb es alta hasta 30 % basado en nuestro análisis EDS cuantitativo (detalles disponibles en Archivo Adicional 1: Figura S2). La Figura 1c muestra la imagen HRTEM de la parte media del NW, confirmando la existencia de planos gemelos. El patrón de difracción electrónica de área seleccionada (SAED) mostrado en Fig. 1d también verifica la estructura gemela, y se pueden distinguir dos conjuntos de difracciones estructuradas ZB (blenda de zinc). El elemento Sb puede usarse como surfactante y deprime la fase WZ (wurtzita) de NW InAs [31], favoreciendo el cambio de fase estructural de WZ a ZB. En nuestro caso, la relación V/III es ~ 11, llevando a un ambiente rico en V, que favorece la nucleación de estructura ZB [32], pero dejando algunos planos gemelos. La investigación sobre la estructura gemela en NW InAsSb afirmó que el desplazamiento en el límite causaría una distribución desigual local de Sb [12], favoreciendo dispersión electrónica o atrapamiento de portadores [33].

a Imagen SEM de vista inclinada de los NW. b Imagen TEM de campo brillante (BF) de un NW individual. c Imagen TEM de alta resolución (HRTEM) tomada del medio del NW desde la región marcada en b. d Patrón SAED (difracción electrónica de área seleccionada) correspondiente tomado de c

La estructura del dispositivo se ilustra en Fig. 2a, en la cual la película Au cubre la cima y la base del arreglo. La imagen SEM del dispositivo se muestra en Archivo Adicional 1: Figura S3, donde la longitud restante es aproximadamente 3 µm y casi todos los NW están integrados. El fotorresistente se usa para mantener los NW orientacionales e integrar los NW en un dispositivo curado; de esta manera, el dispositivo es más anti-oxidación y adecuado para la aplicación. La estructura cónica se usa en dispositivo de arreglo NW silicio amorfo, demostrando mejora de absorción e insensibilidad 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 confirman una conductancia casi constante independiente de la temperatura, y el valor de la conductancia es aproximadamente 1 × 10^–7 Ω⁻¹. Las curvas I-V a 2 K y 300 K sin luz incidente se muestran en Fig. 2d. El nanohilo individual tiene un valor de conductancia mucho mayor mostrado en Archivo Adicional 1: Figura S4. El dispositivo de arreglo es equivalente a un circuito paralelo unido por miles de NW individuales, por lo que la conductancia teórica debería haber sido un valor considerablemente mayor. Además, tenemos dos conocimientos básicos sobre temas relacionados con conductancia: (1) la conductancia de NW individual muestra una fuerte dependencia de la temperatura; (2) los dispositivos de arreglo hechos de NW InAs en nuestro estudio también tienen conductancia constante. Por tanto, concluimos que el contacto entre el metal y el semiconductor en este dispositivo tiene una resistencia parásita considerable dominando las características de salida globales.

a Mapa esquemático del dispositivo, con imagen SEM mostrada en el inset. b Diagrama de energía de los estados interfaciales Au-InAsSb. c Conductancia dependiente de temperatura del dispositivo. d Curvas I-V a 2 K y 300 K sin luz, respectivamente

Cuando Au se une a NW InAsSb vía contacto de extremo, la transferencia de carga ocurre en la interfaz vía las colas de las funciones de onda electrónicas del metal, lo que se llama el continuo de MIGS [18]. La redistribución de carga en la interfaz ocurrida una vez que se forma el contacto causaría dipolos interfaciales también [35]. Según el modelo MIGS, la altura de barrera interfacial está determinada por Φ_Au (función de trabajo del metal), Φ_NW (afinidad electrónica del NW InAsSb) y Δ_i (caída de voltaje debido a un dipolo interfacial que ocurre al formarse la interfaz). δ_i es la distancia de los estados de gap inducidos por el metal. El estado electrónico se muestra en Fig. 2b. El dipolo interfacial podría crear una barrera extra para electrones [36], sin embargo, el efecto está constreñido en una región de δ_i. Sobre todo, las propiedades intrínsecas del dispositivo son moduladas por la gran resistencia de contacto parásita [37]. En nuestro dispositivo, la gran resistencia de contacto disminuye la corriente oscura efectivamente, mientras que el valor es independiente de la temperatura. De esta manera, la concentración de portadores puede restringirse en un rango favorable para detección de luz. Sin embargo, el mecanismo de resistencia de contacto debido al dipolo interfacial manteniéndose constante con variedad de temperaturas requiere investigación más detallada.

En Fig. 3a, mostramos las corrientes del dispositivo de 2 a 120 K con y sin iluminación de luz, y el resto se muestra en Archivo Adicional 1: Figura S5. Los estados de LED se ajustan con tiempo, en los cuales los estados "ON" y "OFF" se mantienen por 60 s, respectivamente. Los valores específicos de corriente del LED mostrados en estados "ON" son 10, 20, 50, 100, 200, 500, 1000, 2000 y 3000 μA, respectivamente. La medición se toma a diferentes temperaturas de 2 a 300 K. El inset en Fig. 3a muestra condiciones con las tres luces más débiles (aproximadamente 4–10 nW/cm²) iluminación, indicando una tendencia similar con Fig. 3a. Sin embargo, comportamientos ópticos obviamente diferentes pueden declararse con la luz más débil, especialmente para la velocidad de respuesta más lenta y una fotoconductancia persistente ligera. La Figura 3b muestra el tiempo de respuesta del dispositivo a 20 K, mientras la corriente del LED es 2000 μA. Vale notar que, Fig. 3c se obtiene en ambiente ambiente a temperatura ambiente. Más importante, la fuente de luz usada aquí son todos LEDs, y los valores de intensidad de luz son 4000 nW/cm² (260 nm), 558 nW/cm² (620 nm) y 14 nW/cm² (945 nm), respectivamente. Aparte de la fotorresponsividad, a partir de las velocidades de respuesta con diferentes longitudes de onda de luz, podemos concluir que los NW InAsSb tienen una mejor respuesta a la luz infrarroja.

a La fotorrespuesta del dispositivo a diferentes temperaturas a LED 620 nm con diferente corriente de entrada. b El tiempo de respuesta del dispositivo a 20 K, mientras la corriente de entrada de LED es 2000 μA. c El rendimiento fotoeléctrico dependiente de longitud de onda del dispositivo a temperatura ambiente con iluminación de 260 nm, 620 nm y 945 nm. El inset muestra una versión ampliada de la fotorrespuesta a LED 260 nm

La Figura 3a muestra que nuestro dispositivo tiene una respuesta positiva rápida y obvia ante el cambio de estados LED bajo diferentes temperaturas, y la fotoconductancia aumenta con la corriente LED. Sin iluminación de luz, la conductancia del dispositivo es aproximadamente 1,04 × 10^–7 Ω⁻¹, lo que concuerda con la prueba de salida mostrada en Fig. 2c. A temperatura fija, el valor de ΔG (definido como conductancia menos conductancia oscura) aumenta casi linealmente con la corriente LED representando la intensidad de luz. Cuando la fuente de luz fue bloqueada, la corriente del dispositivo inmediatamente recupera al estado original. El valor máximo de ΔG en este gráfico es 3,2 × 10^–8 Ω⁻¹ a 10 K. Debe notarse que dos tipos de fotorrespuesta pueden distinguirse en este gráfico:

1. Para la mayoría de temperaturas, las corrientes tienen un aumento rápido una vez que el LED se enciende, y las corrientes son estables mientras el LED está encendido;
2. A 10 K y 20 K, la corriente tiene un aumento rápido con la iluminación de luz también. Sin embargo, la corriente tiene una ligera disminución con el LED encendido, dejando una cola en el gráfico, que no se encuentra en otras temperaturas.

Para clarificar el mecanismo intrínseco en los dos tipos diferentes de fotorrespuesta, la información de velocidad de respuesta a 20 K cuando la corriente de LED es 2000 μA se extrae como evidencia y los valores específicos se muestran en Fig. 3b. El tiempo de respuesta [38, 39] (τ_ris representando el intervalo de tiempo desde el pico de corriente 90 % al pico de corriente 10 %) se determina como 1,8 s, mientras el tiempo de recuperación (τ_rec definido opuestamente) es 2,4 s, que son casi constantes en todo el rango de temperatura. Para 10 K y 20 K, el tiempo de retraso de la estructura "cola" es aproximadamente 15,7 s, que está sorprendentemente ausente cuando la iluminación de corriente LED es menor a 500 μA. Combinado con la condición de luz débil en el inset de Fig. 3a, tres tipos de fotorrespuesta a 10 K y 20 K pueden demostrarse. Con la luz más débil (10–50 μA), la corriente aumenta lentamente con tiempo. Cuando la corriente LED aumenta a 100–500 μA, la respuesta se vuelve rápida. Una vez que la corriente supera 1000 μA, se forma la cola. En otras palabras, solo intensidad de luz suficiente puede disparar la estructura transitoria "cola". Estructuras "cola" similares han sido ampliamente reportadas en NW InAs [40, 41]. Las fuentes de luz en estos reportes son todos láseres con alta intensidad de luz, lo que es consistente con nuestro resultado que la estructura "cola" solo aparece en zonas de alta intensidad de luz. Ellos afirmaron que la "cola" viene del efecto retardado que corresponde al atrapamiento y des-atrapamiento de portadores en estados de superficie [42]. Para NW InAsSb en nuestro caso, los estados de superficie son más inevitables debido al efecto surfactante severo incorporado con Sb [43]. Por tanto, anticipamos que la estructura "cola" origina de los estados de defecto de la estructura gemela que solo atrapan electrones a ciertas temperaturas con asistencia de luz lo suficientemente fuerte.

Para un fotodado dado, la fotorresponsividad puede expresarse por [44]

R = I_p / (P A)

donde I_p es la fotocorriente del dispositivo, P es la potencia de luz en el dispositivo, y A representa el área efectiva del dispositivo. Para nuestro dispositivo, el área efectiva del dispositivo es 1 mm² determinada por la máscara usada durante la evaporación de electrodos, y el área receptora de luz del fotómetro es 0,9 cm². Bajo esta circunstancia, la fotorresponsividad del dispositivo puede determinarse como 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 del dispositivo de arreglo NW InAsSb estructurado en sándwich en detección infrarroja.

La fotodetectividad de un dispositivo puede presentarse como [14]

D* = R A^1/2 / (2 e I_dark)^1/2

donde R es la fotorresponsividad del dispositivo y e es la carga electrónica. I_dark representa la corriente oscura del dispositivo, y el valor es 10,8 nA. Con la corriente oscura suprimida en la estructura de sándwich InAsSb NW, los valores de D* del fotodado alcanzan 7,28 × 10⁷ (260 nm), 2 × 10¹⁰ (620 nm) y 4,81 × 10¹¹ cm·Hz^1/2 W⁻¹ (945 nm), respectivamente. Notablemente, el ratio de deber de NW en esta estructura de arreglo es menor que 50 %, lo que hace el R y D* reales mayores que el resultado calculado. Los altos R y D* no solo se atribuyen al efecto de atrapamiento de luz del dispositivo de arreglo sino también originados de la estructura interfacial [2]. Comparado con los fotodetectores basados en nanohilos resumidos en Ref. [45], la temperatura de operación de 300 K para nuestro dispositivo tiene potencial de aplicación superior en escenarios reales [6]. Adicionalmente, a rango de temperatura ambiente, la fotorresponsividad de nuestro dispositivo de arreglo NW InAsSb de fácil fabricación (28,57 A/W a 945 nm) podría exceder la mayoría de dispositivos complicados basados en NW (WSe₂/Bi₂Te₃: 20 A/W a 980 nm [46], PtSe₂/perovskita: 0,12 A/W a 800 nm [47]). Aunque el dipolo interfacial es experimentalmente inalcanzable, las características de salida en Fig. 2 podrían proporcionar evidencia sólida para su existencia en nuestro dispositivo. Como se sugirió en la discusión previa, la capa interfacial del dispositivo podría funcionar como red de dipolo óptico con iluminación de luz, lo que podría contribuir a un factor de mejora de campo mayor. Este efecto se refiere como efecto de mejora de dipolo interfacial (IDEE) en estudios previos [48]. El IDEE funciona para un rango de longitud de onda mayor que el efecto de mejora de plasmon de superficie 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 atrapamiento de luz del dispositivo de arreglo trabajan juntos para la detección de luz débil en nuestro dispositivo.

La Figura 4 muestra la relación entre la fotorrespuesta del dispositivo NW InAsSb como función de temperaturas (Fig. 4a) e intensidad de luz (Fig. 4b). El valor de I_p es el valor extremo que la fotocorriente puede obtener con la luz encendida. La fotorrespuesta es normalizada por la intensidad de luz exacta para proteger su influencia en la tendencia. Primero, podemos concluir una tendencia similar con diferente intensidad de luz de iluminación. En todos los gráficos, 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 concuerda con el rango de temperatura específico donde existe la "cola" de fotocorriente transitoria. El otro pico es alrededor de 100–120 K, y su ubicación específica se desplaza a una zona de temperatura más alta con aumento de intensidad de luz.

a La dependencia de temperatura de ΔG medida con diferentes intensidades de luz. b La dependencia de potencia de ΔG medida a diferentes temperaturas. c La estructura de banda del dispositivo con voltaje de sesgo. d La estructura de banda del dispositivo con iluminación de luz

La fotocorriente podría expresarse por [28]

I_p = q g V_NW [τ μ_d / l]

donde q es la carga elemental, g es la tasa de generación de fotoportadores, V_NW es el volumen NW, τ es la vida media de portadores minoritarios, μ_d es la movilidad de deriva y l es la longitud NW. Esta ecuación clarifica que la vida media de portadores minoritarios y la movilidad de deriva son dos parámetros clave para la fotocorriente [43]. El proceso optoeléctrico del dispositivo de arreglo InAsSb se muestra en Fig. 4c, d. Antes de importar la luz, los electrones transfieren entre Au y NW InAsSb forman la corriente oscura. Los estados de gap debido al dipolo interfacial son lo suficientemente cortos para la transferencia de portadores con suficiente momento. En nuestro dispositivo, los estados interfaciales inducidos por la estructura gemela nativa y defectos inducidos por fabricación pueden actuar ambos como estados de atrapamiento. Al encender la luz, los electrones excedentes con suficiente energía y momento serían atrapados en los estados interfaciales como se muestra en procesos I y III. La concentración de electrones disminuida hace que la movilidad en el canal aumente y prolonga la vida media de electrones fotogenerados. Por otro lado, los electrones atrapados en el estado interfacial dispersan los electrones en el canal y hacen que la movilidad disminuya. Los electrones liberados volverían a la banda de conducción a través del proceso IV y participarían en la corriente. Los electrones con menor energía serían motivados a la banda conductora y participarían en la corriente como se muestra en proceso II. Después de un tiempo, los electrones se recombinarían con los huecos dejados en la banda de valencia como se muestra en proceso V. Podemos concluir dos tipos de procesos de dispersión en el dispositivo: centros de dispersión de electrones atrapados y dispersión electrón-electrón en el canal [49]. Más electrones atrapados en estados interfaciales disminuirían la movilidad de portadores y concentración de portadores en el canal. Subsecuentemente, la dispersión electrón-electrón se debilitaría y actuaría en el aumento de movilidad a su vez. En conclusión, estos dos procesos de dispersión cooperarían en la corriente y obtendrían un extremo alrededor de 10–20 K. La característica notable de este pico es la estructura "cola", el sitio de pico estable y la fotoconductancia persistente con iluminación de luz ultra-débil. Con 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 saturación. Cuando la intensidad de luz aumenta, los portadores fotoexcitados impulsan la corriente y alcanzan el valor extremo dentro de un tiempo de respuesta corto. Sin embargo, es más complicado con mayor intensidad de luz. Los portadores excedentes sobre los estados saturados se atrapan en los estados interfaciales. Cuando los electrones atrapados se liberan a la banda de conducción, la concentración aumenta de nuevo. El aumento de dispersión electrón-electrón hace que la corriente disminuya, lo que se refiere como efecto retardado, y crea la estructura "cola".

Para el segundo pico alrededor de 100–120 K, un desplazamiento de pico similar se ha reportado en película Bi₂Te₃ [50]. Nuestro análisis indica la existencia de centros de recombinación en este rango de temperatura. El mecanismo intrínseco es similar a Bi₂Te₃, ambos relacionados con el balance de fotocorriente (I_p) y corriente oscura (I_d). En nuestro caso, I_d es casi constante en todo el rango de temperatura de medición. I_p está determinada por la vida media de portadores minoritarios y movilidad de deriva. Notado que estos dos parámetros de NW InAsSb tienen relaciones dependientes opuestas con temperatura. Para la vida media de portadores minoritarios, los portadores oscuros termicamente excitados aumentan con temperatura así como la tasa de recombinación de portadores fotogenerados [51]. Por tanto, la vida media de portadores minoritarios es inversamente proporcional a temperatura. La movilidad de deriva es proporcional a temperatura ya que la alta temperatura surge el efecto de excitación térmica en NW. El pico emerge cuando I_p y I_d logran balance a una cierta temperatura, que es aproximadamente 100–120 K. Con mayor intensidad de luz, una mayor cantidad de portadores fotogenerados necesitarían más portadores termicamente excitados a una temperatura más alta para requerir balance. Por tanto, el segundo pico se desplaza a temperatura más alta cuando la intensidad de luz aumenta. La Figura 4b muestra la fotoconductividad dependiente de intensidad de luz del dispositivo NW InAsSb, donde los valores ΔG no son normalizados. Como se ve, la intensidad de luz del LED aumenta estrictamente linealmente con la corriente de entrada (referir a Archivo Adicional 1: Figura S6). Por tanto, este resultado representa la relación entre la fotorrespuesta y la intensidad de luz, demostrando el potencial del dispositivo de arreglo NW InAsSb en medidor de potencia óptica.

Conclusiones

En resumen, el fotodado estructurado en sándwich basado en arreglo NW InAsSb ha logrado un rendimiento óptico espléndido debido a los MIGS inducidos por el contacto de extremo. El dipolo interfacial y estados de gap suprimen la corriente oscura y mejoran la capacidad de detección del dispositivo. Los defectos nativos y los defectos inducidos por fabricación en el dispositivo actúan como estados interfaciales para modular las propiedades ópticas. Incluso con iluminación de luz ultra-débil (4–20 nW/cm²), el dispositivo muestra fotorrespuesta obvia a temperatura ambiente. La respuesta a LEDs con diferentes longitudes de onda indicó que el dispositivo de arreglo NW InAsSb tiene la respuesta más fuerte a luz infrarroja (945 nm). La fotorresponsividad y fotodetectividad son 40 A/W y 7 × 10¹¹ cm Hz^1/2 W⁻¹, respectivamente. Estos resultados confirmaron que la estructura de sándwich en este estudio favorece la repetibilidad y fiabilidad de dispositivos NW, lo que allana el camino para la fabricación de dispositivos basados en NW. Lo más importante, el dispositivo puede trabajar en ambiente ambiente a temperatura ambiente, lo que es un gran avance para la detección infrarroja.

Disponibilidad de datos y materiales

Todos los datos están completamente disponibles sin restricción. Los conjuntos de datos usados y/o analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente bajo solicitud razonable.

Abreviaturas

MBE:

Epitaxia de haz molecular

1D:

Unidimensional

NW:

Nanohilo

BEP:

Presión equivalente de haz

VS:

Vapor-sólido

VLS:

Vapor-líquido-sólido

EBL:

Litografía de haz de electrones

RIE:

Grabado iónico reactivo

WZ:

Wurtzita

ZB:

Blenda de zinc

BFTEM:

Microscopio electrónico de transmisión de campo brillante

HRTEM:

Microscopio electrónico de transmisión de alta resolución

SAED:

Difracción electrónica de área seleccionada

EDS:

Espectroscopía de dispersión de energía

MIGS:

Estado de gap inducido por metal

IDEE:

Efecto de mejora de dipolo interfacial

LED:

Diodo emisor de luz