我学者在半导体p-n异质结中实现光电流极性反转

深蓝色的畅想

记者从中国科学技术大学获悉，该校微电子学院龙世兵教授、孙海定研究员团队在氮化镓（GaN）半导体p-n异质结中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9月23日发表在《自然•电子学》上。

半导体p-n结是众多电子元器件的基本构成单元，基于此所构建的传统固态光电探测器可将光信号捕获并转换为输出电信号，被广泛应用于成像、传感、探测等领域。然而，该类器件受限于传统p-n结的工作机理，大大限制了其在特殊应用场景，例如高分辨多色成像、生物光电检测、便携式小型光谱仪、多通道光通信和光逻辑运算等中的应用。

研究人员基于前期的工作积累，从GaN基半导体p-n异质结能带结构设计，MBE外延工艺探索及纳米线形貌调控出发，结合DFT第一性原理理论计算优化及半导体表面金属铂（Pt）纳米颗粒定向修饰，成功构建了基于p-AlGaN/n-GaN异质p-n结的光谱可分辨型光电探测器。在固定偏压下，该器件在两种不同波长光的照射下展现出独特的光电流极性反转现象：在254nm光照下光电流为负电流，而在365nm光照下光电流为正电流。理论计算证实：通过在半导体p-AlGaN表面修饰贵金属Pt纳米颗粒可以有效改善氢吸附自由能，并提高光电化学光探测过程中的光生载流子分离效率。最终，在固定偏压下，研究人员成功观察到在不同波长光照下GaN基pn结纳米线中的光电流极性反转现象。

这种新型器件架构不仅克服了传统固态p-n结光电探测器的功能限制，通过改变半导体材料本身带隙，还可以实现从深紫外到近红外全光谱响应覆盖，有望为便携式光谱仪、液体环境如水下，生物体内的光电探测和传感、高分辨率多通道光电传感器/成像设备、光控逻辑电路等未来新学科交叉领域带来新的应用突破。