Sensibilidade Aprimorada em Baixa Luz: Fotodetectores de Array de Nanofios InAsSb com Contatos Extremidade-Ligados

Resumo

Uma fabricação simples de detector de array de nanofios (NW) InAsSb com contatos extremidade-ligados para luz fraca é demonstrada neste estudo. O detector é fabricado usando array de NW InAsSb crescido por epitaxia de feixe molecular em substrato de GaAs. Estados de lacuna induzidos por metal são induzidos pelo contato extremidade-ligado que suprime a corrente escura em várias temperaturas. A existência do dipolo de interface devido aos estados de lacuna interfaciais melhora a excitação de luz ao redor do campo local e assim melhora a fotorresponsividade e fotodetectividade à luz fraca. A intensidade de luz da fonte infravermelha neste relatório é 14 nW/cm² que é cerca de 3 a 4 ordens de magnitude menor que a fonte laser. A responsividade do detector alcançou 28,57 A/W à temperatura ambiente com radiação de luz (945 nm), enquanto a detectividade é 4,81 × 10¹¹ cm·Hz¹/²·W⁻¹. Desempenho anômalo dependente de temperatura emerge nos experimentos de temperatura variável, e discutimos o mecanismo detalhado por trás da relação não-linear entre a fotorresposta do dispositivo e temperaturas. Além disso, as características optoeletrônicas do detector esclareceram que o efeito de armadilha de luz e efeito de fotogating dos NWs podem melhorar a fotorresposta à luz fraca do ultravioleta ao infravermelho próximo. Estes resultados destacam a viabilidade do detector de array de NW InAsSb para luz infravermelha fraca sem sistema de resfriamento.

Introdução

Como ramo importante de semicondutores III-V de banda proibida estreita, InAsSb tem benefícios herdados do InAs como massa efetiva de elétron pequena e alta mobilidade de elétrons [1, 2]. Quando o elemento Sb é introduzido no InAs, o comprimento de onda de corte de resposta do InAsSb ternário poderia ser estendido à faixa de infravermelho de longo comprimento de onda devido ao efeito de curvatura da banda proibida [3]. Consequentemente, InAsSb é considerado candidato ideal na área de detecção infravermelha [4-6]. No campo de optoeletrônica, nanoestruturas unidimensionais (1D) [7] têm propriedades únicas tremendas incluindo grande área de superfície com numerosos estados de armadilha, longo comprimento de caminho para absorção de fótons e estrutura mecanicamente flexível devido às suas enormes razões de aspecto [8]. Além disso, durante seu desenvolvimento, nanoestruturas 1D podem facilmente liberar incompatibilidade de rede a substratos e por sua vez alcançar alta qualidade cristalina [9]. Aqui, aplicações para optoeletrônica como fotodetectores [10], células solares [11] baseadas em nanoestruturas 1D estão atraindo tremendo interesse de pesquisa. Entre eles, estruturas de dispositivo personalizadas [12] foram propostas para alcançar absorção de luz otimizada e colheita de luz de banda larga, tornando nanoestruturas 1D adequadas para cenários de aplicação variados e alcançando componentes compatíveis com circuitos integrados baseados em silício. Recentemente, fotodetectores baseados em NWs individuais de InAs demonstraram seus potenciais em detecção infravermelha [13]. Com adição de Sb, InAsSb ternário pode ser acessível em faixa de espectro amplo para detecção à temperatura ambiente [14]. Com passivação de Al₂O₃, detectores baseados em NWs de InAsSb alcançaram detecção sem resfriamento ao espectro de infravermelho de médio comprimento de onda [15]. No entanto, fontes de luz convencionais amplamente aplicadas nestes estudos são lasers de alta intensidade e a maioria destes dispositivos não pode operar à temperatura ambiente [16]. Além disso, a estrutura de dispositivo convencional baseada em NWs não é amigável à aplicação em massa em circuitos integrados compatíveis. Existem três principais tipos de detectores tradicionais baseados em NWs de InAsSb, incluindo dispositivo de NW individual [17], poços quânticos embutidos em NWs de InAs [3] e dispositivo de NW individual vertical [14]. Todos requerem processo de nanofabricação caro, como litografia de feixe de elétrons (EBL) e gravação por íons reativos (RIE). Aqui, a inovação na estrutura do dispositivo é urgente para aplicação de NWs.

A interface sempre desempenha papel vital no desempenho óptico e elétrico do dispositivo apesar do tamanho limitado, tornando engenharia de contato em dispositivos baseados em NW outro fator essencial [18]. Por exemplo, célula solar com excelentes propriedades de fotodetecção omnidirecional à luz fraca foi alcançada em estrutura híbrida utilizando interface entre pontos quânticos de grafeno e poliestireno sulfonato [19]. Neste estudo, modulamos o desempenho optoelétrico do dispositivo usando a estrutura de banda na interface entre eletrodo e semicondutor. A redistribuição de carga acontece na interface metal-semicondutor, e a transferência de carga ocorre entre metal e as caudas de funções de onda do metal no semicondutor. A redistribuição é referida como MIGS, que poderia induzir estados de lacuna e dipolo de interface nos estados interfaciais [20]. No entanto, resultados de simulação do modelo MIGS ainda têm desvios entre experimentos, considerado resultando de defeitos de interface, defeitos induzidos por fabricação e pinning de nível de Fermi [21]. Especialmente para NWs de InAsSb com ricos estados de superfície, o pinning de nível de Fermi é inevitável de modo que os estados de lacuna induzidos filtrariam a transferência de carga. Desta forma, a corrente escura do dispositivo poderia ser suprimida em faixa aceitável. Além disso, o dipolo interfacial poderia melhorar a excitação de luz no campo local que é essencial para detecção de luz fraca. Baseado na discussão por Chu et al., junções extremidade-ligadas são mais propensas a alcançar sobreposição de estado entre metal e semicondutor que junções planar-ligadas [18]. No entanto, dispositivo extremidade-ligado via NW individual enfrenta obstáculos na fabricação. Aqui, propomos solução usando arrays de NW para alcançar contato extremidade-ligado entre NWs e metal. Comparado a fotodetectores convencionais, dispositivos de array de NW estruturados sanduíche têm vantagens de fabricação fácil e alta adaptabilidade ambiental [22, 23]. O preenchimento (AZ5214), que é revestido por rotação e assado ao redor dos NWs durante o processo fabricado, torna o dispositivo mais estável e anti-oxidação ao ambiente. Quando a luz é introduzida no array de NW, reflete e refrata em diferentes direções múltiplas vezes, impulsionando absorção de luz dentro [24, 25]. O caminho de luz prolongado no array de NW é referido como efeito de armadilha de luz [26, 27], amplamente usado em dispositivos de array baseados em NW. Tanto a estrutura de banda quanto a estrutura do dispositivo dão ao dispositivo potencial para detecção de luz fraca à temperatura ambiente.

Neste estudo, fabricamos dispositivo de array de NW baseado em NWs de InAsSb crescidos por MBE (epitaxia de feixe molecular). Os estados de lacuna e dipolo de interface induzidos pelo contato metal-semicondutor poderiam suprimir corrente escura e melhorar detecção de luz separadamente [28]. O efeito de armadilha de luz da estrutura sanduíche do array de NW contribui para detecção de luz fraca [29]. Corrente escura suprimida à temperatura ambiente minimiza ruído de detecção e permite detecção à temperatura ambiente [30]. A estrutura de dispositivo de cura torna o dispositivo capaz de trabalhar em ambiente ambiente. Também, a fotorresposta do dispositivo flutua com temperatura porque estados de interface complicados são antecipados. Com temperatura constante, o valor de fotocorrente aumenta linearmente com intensidade de luz incidente, demonstrando potencial para medidor de potência óptica.

Métodos/Experimental

NWs de InAsSb foram crescidos em substratos GaAs {111}B usando sistema MBE (Riber 32 R&D) com sistema de evaporação de Au in situ. O substrato epi-pronto foi pré-tratado para remover contaminação. Então, uma camada tampão de GaAs foi depositada a 540 °C por 15 min e nanopartículas de Au foram formadas via processo de evaporação e recozimento. Hastes de InAs foram crescidas por 20 min com temperatura mantida constantemente a 380 °C, e então fonte de Sb foi introduzida na câmara de crescimento por 60 min. Durante crescimento de NW, o BEP (pressão equivalente de feixe) de In foi mantido como 2,7 × 10⁻⁷ mbar, BEP de As foi 2,2 × 10⁻⁶ mbar, e BEP de Sb foi 7 × 10⁻⁷ mbar, levando a razão de fluxo V/III de ~ 11 e razão Sb/As de ~ 0,3.

Para fabricação do dispositivo, AZ5214 (fotorresiste) foi empregado como agente de sustentação para manter orientações dos NWs. Então o array de NW com substrato foi revestido por rotação com AZ5214 a 3000 rpm por 30 s e assado por 2 min a 120 °C. O gel AZ5214 é transparente minimizando perda de luz durante medição. Para expor pontas dos NWs, a superfície do array foi polida por medidor de cisalhamento de precisão (Logitech). As camadas de InAsSb formadas na superfície do substrato durante crescimento de NW via mecanismo VS (vapor-sólido) podem atuar como eletrodo de dreno. Segundo medição Hall de epicamadas de InAsSb (mostrado no Arquivo Adicional 1: Figura S1), a concentração de portadores à temperatura ambiente é cerca de 2 × 10¹⁷ cm⁻³, enquanto a mobilidade é cerca de 1,6 × 10⁴ cm²/(V·s) à temperatura ambiente. Depois, filme de Au com espessura nominal de 8 nm foi depositado nas áreas selecionadas, uma delas no topo do array, e a outra na epilayer. A pequena espessura do Au depositado assegura fotopermeabilidade do eletrodo e perda de luz aceitável durante medições.

As características morfológicas, químicas e estruturais dos NWs de InAsSb obtidos foram investigadas usando MEV (FE-SEM, JEOL 7800F) e MET [MET, Philips Tecnai F20, equipado com espectroscopia de dispersão de energia (EDS) para análise composicional]. NWs individuais para análise MET foram preparados por ultra-sonificação das amostras de NW em etanol e dispersando-os em grades de Cu suportadas por filmes de carbono.

Medidas de fotocondutividade foram realizadas em criostato de ciclo fechado de hélio equipado com LEDs como fontes de luz. A temperatura neste sistema pode ser modulada entre 2 K e temperatura ambiente continuamente, enquanto a intensidade de luz dos LEDs pode ser ajustada facilmente pela corrente de entrada. LEDs com vários comprimentos de onda incluindo 260 nm, 620 nm e 945 nm foram empregados neste estudo. A intensidade de luz do LED está relacionada tanto à temperatura quanto à corrente de entrada. A intensidade aumenta linearmente com corrente e diminui com temperatura. Os valores de intensidade de luz à temperatura ambiente nesta medição são 4000 nW/cm² para 260 nm, 558 nW/cm² para 620 nm e 14 nW/cm² para 945 nm. A informação relacionada de intensidade de luz pode ser encontrada na Ref. [30]. Uma tensão constante V_DS = 100 mV foi aplicada entre fonte e dreno. Resposta de fotocondutividade pode ser obtida através de ligar/desligar dos LEDs.

Resultados e Discussão

A Figura 1 mostra investigações de microscopia eletrônica dos NWs de InAsSb. Figura 1a é imagem de MEV em visão inclinada, mostrando diâmetros dos NWs variam de 100 a 200 nm e comprimento varia de 6 a 8 µm. Figura 1b mostra imagem de campo claro (BF) de MET de NW individual típico, indicando estrutura clássica de afinamento. Ao longo de sua direção axial, a composição do NW mostra mudança gradual moderada e a concentração média de Sb é alta até 30% baseada em nossa análise quantitativa EDS (detalhes no Arquivo Adicional 1: Figura S2). Figura 1c mostra imagem de METAR da parte média do NW, confirmando existência de planos de gêmeos. O padrão de difração de elétrons de área selecionada (SAED) mostrado na Fig. 1d também verifica estrutura de geminação, e dois conjuntos de difrações estruturadas ZB (zinc blende) podem ser distinguidos. O elemento Sb pode ser usado como surfactante e deprime fase WZ (wurtzita) de NWs de InAs [31], favorecendo mudança de fase estrutural de WZ para ZB. No nosso caso, razão V/III é ~ 11, levando a ambiente rico em V, que favorece nucleação de estrutura ZB [32], mas deixando alguns planos de gêmeos. Investigação sobre estrutura de geminação em NWs de InAsSb alegou que deslocamento na fronteira causaria distribuição desigual local de Sb [12], favorecendo espalhamento de elétrons ou armadilha de portadores [33].

Investigações avançadas de microscopia eletrônica em NWs de InAsSb. a Imagem de MEV em visão inclinada dos NWs. b Imagem de campo claro (BF) MET de NW individual. c Imagem METAR de alta resolução tomada do meio do NW da região marcada em b. d Padrão SAED (difração de elétrons de área selecionada) correspondente tomado de c

A estrutura do dispositivo é ilustrada na Fig. 2a, na qual o filme de Au cobre o topo e o fundo do array. A imagem de MEV do dispositivo é mostrada no Arquivo Adicional 1: Figura S3, onde o comprimento restante é cerca de 3 µm e quase todos os NWs são integrados. O fotorresiste é usado para manter NWs orientacionais e integrar NWs em dispositivo de cura; desta forma, o dispositivo é mais anti-oxidação e adequado para aplicação. A estrutura de afinamento é usada em dispositivo de array de NWs de silício amorfo, demonstrando aumento de absorção e insensível ao ângulo de incidência [34]. Figura 2b é mapa esquemático da interface Au-InAsSb determinada pelo modelo MIGS. Figura 2c, d confirma condutância quase constante independente de temperatura, e o valor da condutância é cerca de 1 × 10⁻⁷ Ω⁻¹. Curvas I-V a 2 K e 300 K sem luz incidente são mostradas na Fig. 2d. O nanofio individual tem valor muito maior de condutância mostrado no Arquivo Adicional 1: Figura S4. O dispositivo de array é equivalente a circuito paralelo unido por milhares de NWs individuais de modo que a condutância teórica deveria ter sido valor muito mais considerável. Adicionalmente, temos dois conhecimentos básicos sobre questões relacionadas à condutância: (1) a condutância de NW individual mostra forte dependência da temperatura; (2) dispositivos de array feitos de NWs de InAs em nosso estudo também têm condutância constante. Portanto, concluímos que o contato entre metal e semicondutor neste dispositivo tem resistência de contato parasita considerável dominando as características de saída globais.

Estrutura e propriedades elétricas do dispositivo de array de NW InAsSb. a Mapa esquemático do dispositivo, com imagem de MEV no inset. b Diagrama de energia dos estados de interface Au-InAsSb. c Condutância dependente de temperatura do dispositivo. d Curvas I-V a 2 K e 300 K sem luz, respectivamente

Quando Au é unido nos NWs de InAsSb via contato extremidade-ligado, a transferência de carga ocorre na interface via caudas das funções de onda do elétron do metal que é chamado continuum de MIGS [18]. A redistribuição de carga na interface ocorrida uma vez que o contato forma causaria dipolos de interface a desenvolver também [35]. Segundo modelo MIGS, altura da barreira de interface é determinada por Φ_Au (função de trabalho do metal), Φ_NW (afinidade eletrônica do NW InAsSb) e Δ_i (queda de tensão devido a dipolo de interface que ocorre upon formação da interface). δ_i é a distância dos estados de lacuna induzidos pelo metal. O estado eletrônico é mostrado na Fig. 2b. O dipolo de interface poderia criar barreira extra para elétrons [36], ainda o efeito é limitado em região do δ_i. Acima de tudo, as propriedades intrínsecas do dispositivo são moduladas pela grande resistência de contato parasita [37]. No nosso dispositivo, a grande resistência de contato diminui a corrente escura efetivamente, enquanto o valor é independente da temperatura. Desta forma, a concentração de portadores pode ser restrita em faixa favorável para detecção de luz. Ainda o mecanismo de resistência de contato devido ao dipolo de interface mantendo constante com temperaturas variadas permanece pesquisa mais detalhada.

Na Fig. 3a, exibimos as correntes do dispositivo de 2 a 120 K com e sem iluminação de luz, e o resto é mostrado no Arquivo Adicional 1: Figura S5. Os estados de LED são ajustados com tempo, nos quais os estados "LIGADO" e "DESLIGADO" manteriam por 60 s, respectivamente. Os valores de corrente específicos do LED mostrados nos estados "LIGADO" são 10, 20, 50, 100, 200, 500, 1000, 2000 e 3000 µA, respectivamente. A medição é tomada em diferentes temperaturas de 2 a 300 K. O inset na Fig. 3a mostra condições com as três luzes mais fracas (cerca de 4-10 nW/cm²) iluminação, indicando tendência similar com Fig. 3a. No entanto, comportamentos ópticos obviamente diferentes podem ser declarados com a luz mais fraca, especialmente para velocidade de resposta mais lenta e fotocondutância ligeiramente persistente. Figura 3b mostra tempo de resposta do dispositivo a 20 K, enquanto corrente do LED é 2000 µA. Vale notar que, Fig. 3c é obtida em ambiente ambiente à temperatura ambiente. Mais importante, a fonte de luz usada aqui são todos LEDs, e os valores de intensidade de luz são 4000 nW/cm² (260 nm), 558 nW/cm² (620 nm) e 14 nW/cm² (945 nm), respectivamente. Além da fotorresponsividade, das velocidades de resposta com diferentes comprimentos de onda de luz, podemos concluir que NWs de InAsSb têm melhor resposta à luz infravermelha.

Dependência temporal da condutância fonte-dreno sob diferentes temperaturas. a Fotorresposta do dispositivo em diferentes temperaturas a LED 620 nm com diferentes correntes de entrada. b Tempo de resposta do dispositivo a 20 K, enquanto corrente de entrada do LED é 2000 µA. c Desempenho fotoelétrico dependente de comprimento de onda do dispositivo à temperatura ambiente com iluminação de 260 nm, 620 nm e 945 nm. O inset mostra versão ampliada da fotorresposta a LED 260 nm

A Figura 3a mostra que nosso dispositivo tem resposta positiva rápida e óbvia upon mudança de estados de LED sob diferentes temperaturas, e a fotocondutância aumenta com corrente do LED. Sem iluminação de luz, a condutância do dispositivo é cerca de 1,04 × 10⁻⁷ Ω⁻¹, que concorda com teste de saída mostrado na Fig. 2c. A uma temperatura fixa, o valor de ΔG (definido como condutância menos condutância escura) aumenta quase linearmente com corrente do LED representando intensidade de luz. Quando a fonte de luz foi bloqueada, a corrente do dispositivo recupera imediatamente ao estado original. O valor máximo de ΔG neste gráfico é 3,2 × 10⁻⁸ Ω⁻¹ a 10 K. Deve-se notar que dois tipos de fotorresposta podem ser distinguidos neste gráfico:

1. para a maioria das temperaturas, as correntes têm aumento rápido uma vez que LED é ligado, e as correntes são estáveis enquanto LED está ligado;

2. a 10 K e 20 K, a corrente tem aumento rápido com iluminação de luz também. Ainda a corrente tem leve diminuição com LED ligado, deixando uma cauda no gráfico, que não é encontrada em outras temperaturas.

Para esclarecer mecanismo intrínseco nos dois diferentes tipos de fotorresposta, a informação de velocidade de resposta a 20 K quando corrente do LED é 2000 µA é extraída como evidência e valores específicos mostrados na Fig. 3b. O tempo de resposta [38, 39] (τ_ris representando intervalo de tempo do pico de 90% corrente ao pico de 10% corrente) é determinado como 1,8 s, enquanto tempo de recuperação (τ_rec definido opostamente) é 2,4 s, que são quase constantes em toda faixa de temperatura. Para 10 K e 20 K, o tempo de atraso da estrutura "cauda" é cerca de 15,7 s, que é surpreendentemente ausente quando iluminação de corrente do LED é menor que 500 µA. Combinado com condição de luz fraca no inset da Fig. 3a, três tipos de fotorresposta a 10 K e 20 K podem ser demonstrados. Com luz mais fraca (10-50 µA), a corrente aumenta lentamente com tempo. Quando corrente do LED é aumentada a 100-500 µA, a resposta torna-se rápida. Uma vez que corrente é acima de 1000 µA, a cauda forma. Em outras palavras, apenas intensidade de luz suficiente pode disparar a estrutura "cauda" transitória. Estruturas "cauda" similares foram amplamente relatadas em NWs de InAs [40, 41]. As fontes de luz nestes relatórios são todos lasers com alta intensidade de luz, consistente com nosso resultado que a estrutura "cauda" só aparece em zonas de alta intensidade de luz. Alegaram que a "cauda" vem do efeito retardado correspondente ao aprisionamento e desprendimento de portadores nos estados de superfície [42]. Para NWs de InAsSb no nosso caso, estados de superfície são mais inevitáveis devido ao efeito surfactante severo incorporado com Sb [43]. Portanto, antecipamos que a estrutura "cauda" origina-se dos estados de defeito da estrutura de geminação apenas aprisionam elétrons em certas temperaturas com assistência de luz forte o suficiente.

Para um fotodetector dado, a fotorresponsividade pode ser expressa por [44]

$$R = \frac{I_p}{PA}$$ (1)

onde I_p é a fotocorrente do dispositivo, P é a potência de luz no dispositivo, e A representa área efetiva do dispositivo. Para nosso dispositivo, área efetiva do dispositivo é 1 mm² determinada pela máscara usada durante evaporação dos eletrodos, e área de recepção de luz do fotômetro é 0,9 cm². Sob esta circunstância, a fotorresponsividade do dispositivo pode ser determinada como 4,25 mA/W (260 nm), 1,27 A/W (620 nm) e 28,57 A/W (945 nm), respectivamente, o que confirmou ainda o potencial do dispositivo de array de NW InAsSb estruturado sanduíche em detecção infravermelha.

A fotodetectividade de um dispositivo pode ser apresentada como [14]

$${D}^{*}=R{A}^{1/2}/{(2e{I}_{dark})}^{1/2}$$ (2)

onde R é a fotorresponsividade do dispositivo e e é carga eletrônica. I_dark representa corrente escura do dispositivo, e o valor é 10,8 nA. Com corrente escura suprimida na estrutura sanduíche de NW InAsSb, os valores de D* do fotodetector alcançam 7,28 × 10⁷ (260 nm), 2 × 10¹⁰ (620 nm) e 4,81 × 10¹¹ cm·Hz¹/²·W⁻¹ (945 nm), respectivamente. Notavelmente, a razão de dever dos NWs nesta estrutura de array é menor que 50%, o que torna o R e D* reais maiores que o resultado calculado. O alto R e D* não são apenas atribuídos ao efeito de armadilha de luz do dispositivo de array mas também originados da estrutura de interface [2]. Comparado a fotodetectores baseados em nanofios resumidos na Ref. [45], a temperatura de operação de 300 K para nosso dispositivo tem potencial de aplicação superior em cenários reais [6]. Adicionalmente, à faixa de temperatura ambiente, fotorresponsividade de nosso dispositivo de array de NW InAsSb de fácil fabricação (28,57 A/W a 945 nm) poderia exceder a maioria dos dispositivos baseados em NW complicados (WSe₂/Bi₂Te₃: 20 A/W a 980 nm [46], PtSe₂/perovskita: 0,12 A/W a 800 nm [47]). Mesmo que o dipolo de interface seja experimentalmente inalcançável, as características de saída na Fig. 2 poderiam fornecer evidência sólida para sua existência em nosso dispositivo. Como sugerido na discussão anterior, a camada interfacial do dispositivo poderia funcionar como rede de dipolo óptico com iluminação de luz, que poderia contribuir para fator de realce de campo maior. Este efeito é referido como efeito de realce de dipolo de interface (IDEE) em estudos anteriores [48]. O IDEE funciona para faixa de comprimento de onda maior que o efeito de realce de plasmon de superfície que só existe dentro da faixa de comprimento de onda de ressonância. O efeito de realce ao redor dos estados interfaciais e o efeito de armadilha de luz do dispositivo de array trabalham juntos para detecção de luz fraca em nosso dispositivo.

A Figura 4 mostra a relação entre a fotorresposta do dispositivo de NW InAsSb como função de temperaturas (Fig. 4a) e intensidade de luz (Fig. 4b). O valor de I_p é o valor extremo que a fotocorrente pode obter com luz ligada. A fotorresposta é normalizada pela intensidade de luz exata para proteger sua influência na tendência. Primeiro, podemos concluir tendência similar com diferentes intensidades de iluminação de luz. Em todos os gráficos, a fotocondutância absoluta aumenta de 2 a 20 K e então diminui até 80 K, deixando primeiro pico em torno de 20 K e segundo pico em torno de 100-120 K. A faixa de temperatura deste pico está de acordo com a faixa de temperatura específica onde a "cauda" de fotocorrência transitória existe. O outro pico é em torno de 100-120 K, e sua localização específica desloca para zona de temperatura mais alta com aumento de intensidade de luz.

a Dependência de temperatura de ΔG medido com diferentes intensidades de luz. b Dependência de potência de ΔG medido em diferentes temperaturas. c Estrutura de banda do dispositivo com tensão de polarização. d Estrutura de banda do dispositivo com iluminação de luz

A fotocorrente poderia ser expressa por [28]

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

onde q é carga elementar, g é taxa de geração de fotoportadores, V_NW é volume do NW, τ é tempo de vida de portador minoritário, e μ_d é mobilidade de deriva e l é comprimento do NW. Esta equação esclarece que tempo de vida de portador minoritário e mobilidade de deriva são dois parâmetros-chave para fotocorrente [43]. O processo optoelétrico do dispositivo de array InAsSb é mostrado na Fig. 4c, d. Antes da luz importada, elétrons transferem entre Au e NWs de InAsSb forma corrente escura. Os estados de lacuna devido ao dipolo de interface são curtos o suficiente para transferência de portador com momento suficiente. No nosso dispositivo, os estados de interface induzidos pela estrutura de geminação nativa e defeitos induzidos por fabricação podem ambos atuar como estados de armadilha. Upon luz ligada, elétrons em excesso com energia e momento suficientes seriam aprisionados nos estados de interface como mostrado nos processos I e III. A concentração de elétrons diminuída faz mobilidade no canal aumentar e prolonga tempo de vida dos fotoelétrons gerados. Por outro lado, elétrons aprisionados no estado de interface espalham elétrons no canal e fazem mobilidade diminuir. Elétrons liberados voltariam à banda de condução através do processo IV e participariam na corrente. Elétrons com energia mais baixa seriam motivados à banda condutora e participariam na corrente como mostrado no processo II. Após um tempo, elétrons recombinariam com lacunas deixadas na banda de valência como mostrado no processo V. Podemos concluir dois tipos de processos de espalhamento no dispositivo: centros de espalhamento de elétrons aprisionados e espalhamento elétron-elétron no canal [49]. Mais elétrons aprisionados nos estados de interface diminuiriam mobilidade de portadores e concentração de portadores no canal. Subsequentemente, o espalhamento elétron-elétron seria enfraquecido e atuaria no aumento de mobilidade por sua vez. Em conclusão, estes dois processos de espalhamento cooperariam na corrente e obteriam extremo em torno de 10-20 K. A característica notável deste pico é a estrutura "cauda", pico estável e fotocondutância persistente com iluminação de luz ultra-fraca. Com iluminação de luz ultra-fraca, a quantidade induzida de fótons não é suficiente para atingir fotocorrente saturada de uma vez. Portanto, o dispositivo mostra fotocorrente persistente até saturação. Quando intensidade de luz é aumentada, foto-portadores gerados impulsionam corrente e atingem valor extremo dentro de tempo de resposta curto. No entanto, é mais complicado com maior intensidade de luz. Portadores em excesso sobre estados saturados tornam-se aprisionados nos estados de interface. Quando elétrons aprisionados liberados à banda de condução, a concentração aumenta novamente. O aumento do espalhamento elétron-elétron faz corrente diminuir, que é referido como efeito retardado, e cria estrutura "cauda".

Para o segundo pico em torno de 100-120 K, um deslocamento de pico similar foi relatado em filme de Bi₂Te₃ [50]. Nossa análise indica existência de centros de recombinação nesta faixa de temperatura. O mecanismo intrínseco é similar a Bi₂Te₃, ambos relacionados ao equilíbrio de fotocorrente (I_p) e corrente escura (I_d). No nosso caso, I_d é quase constante em toda faixa de temperatura de medição. I_p é determinado por tempo de vida de portador minoritário e mobilidade de deriva. Notado que estes dois parâmetros de NWs de InAsSb têm relações dependentes opostas com temperatura. Para tempo de vida de portador minoritário, portadores escuros termicamente excitados aumentam com temperatura assim como taxa de recombinação de portadores fotogerados [51]. Daí, tempo de vida de portador minoritário é inversamente proporcional à temperatura. A mobilidade de deriva é proporcional à temperatura pois alta temperatura surge efeito de excitação térmica nos NWs. O pico emerge quando I_p e I_d alcançam equilíbrio em certa temperatura, que é cerca de 100-120 K. Com maior intensidade de luz, maior quantidade de portadores fotogerados precisariam mais portadores termicamente excitados em temperatura mais alta para requerer equilíbrio. Daí, o segundo pico desloca para temperatura mais alta quando intensidade de luz aumenta. Figura 4b mostra fotocondutividade dependente de intensidade de luz do dispositivo de NW InAsSb, onde valores de ΔG não são normalizados. Como pode ser visto, intensidade de luz do LED aumenta estritamente linearmente com corrente de entrada (referir Arquivo Adicional 1: Figura S6). Portanto, este resultado representa relação entre fotorresposta e intensidade de luz, demonstrando potencial do dispositivo de array de NW InAsSb em medidor de potência óptica.

Conclusões

Em resumo, o fotodetector estruturado sanduíche baseado em array de NW InAsSb alcançou desempenho óptico esplêndido devido aos MIGS induzidos pelo contato extremidade-ligado. Dipolo de interface e estados de lacuna suprimem corrente escura e melhoram capacidade de detecção do dispositivo. Defeitos nativos e defeitos induzidos por fabricação no dispositivo atuam como estados de interface para modular propriedades ópticas. Mesmo com iluminação de luz ultra-fraca (4-20 nW/cm²), o dispositivo mostra fotorresposta óbvia à temperatura ambiente. A resposta a LEDs com diferentes comprimentos de onda indicou que o dispositivo de array de NW InAsSb tem resposta mais forte à luz infravermelha (945 nm). A fotorresponsividade e fotodetectividade são 40 A/W e 7 × 10¹¹ cm Hz¹/² W⁻¹, respectivamente. Estes resultados confirmaram que a estrutura sanduíche neste estudo favorece repetibilidade e confiabilidade dos dispositivos NW, pavimentando caminho para fabricação de dispositivos baseados em NW. Mais importante, o dispositivo pode trabalhar em ambiente ambiente à temperatura ambiente, que é grande avanço para detecção infravermelha.

Disponibilidade de Dados e Materiais

Todos os dados estão totalmente disponíveis sem restrição. Os conjuntos de dados usados e/ou analisados durante o estudo atual estão disponíveis do autor correspondente mediante solicitação razoável.

Abreviações

MBE:

Epitaxia de feixe molecular

1D:

Unidimensional

NW:

Nanofio

BEP:

Pressão equivalente de feixe

VS:

Vapor-sólido

VLS:

Vapor-líquido-sólido

EBL:

Litografia de feixe de elétrons

RIE:

Gravação por íons reativos

WZ:

Wurtzita

ZB:

Zinc blende

BFTEM:

Microscópio eletrônico de varredura de campo claro

METAR:

Microscópio eletrônico de transmissão de alta resolução

SAED:

Difração de elétrons de área selecionada

EDS:

Espectroscopia de dispersão de energia

MIGS:

Estado de lacuna induzido por metal

IDEE:

Efeito de realce de dipolo de interface

LED:

Diodo emissor de luz