GaAs/InAs纳米线阵列的灵敏红外光电探测机理研究

Semiconductor nanowires and nanowire arrays have received increasing attention for their unique carrier transport property and the potential application in future opt-electronics systems. However, the high photoresponsivity of nanowire arrays and the underlying optical coupling process haven’t been clarified nowadays. In this project, the FDTD electromagnetic simulation combined with the scanning capacitance microscope are utilized to characterize the difference of optical field distribution and the photoresponse between the independent nanowire and nanowire arrays. In this way, the influence of single nanowire and the periodic sub-wavelength structure on the optical coupling and global performance could be identified respectively, which will then help clarify the mechanism of the sensitive photoresponse of nanowire arrays.

半导体纳米线及其阵列结构因独特的载流子输运和未来光电系统集成的优势受到国际上广泛的关注。然而以往工作中，由于实验电子学空间分辨率的缺失，对纳米线阵列这种高效光电探测结构的光电响应机理及主导光耦合的因素还存在较大的争议。本项目中通过挖掘扫描探针显微技术的电子学空间分辨率，结合FDTD电磁场仿真，将从光场实空间分布特征和III-V族纳米线实际光电性能的视角来研究阵列结构中纳米线和独立单根纳米线（对应于不同光耦合状态）的差异。通过这种方式区分并量化周期性亚波长结构及其光场调制作用、独立单根纳米线及其增益对全局光电性能的贡献，进而有望澄清纳米线阵列灵敏光电探测的微观机理，为后续原型器件的研发提供依据。

近十年来，半导体低维结构的兴起突破了以往光耦合吸收、载流子输运方面的认知，为光电子学的发展带来了新的机遇。其中半导体纳米线及其阵列结构，兼有光吸收、电输运两个层面的增益，且切合低成本、大规模光电集成的发展趋势，是未来光电子器件的理想替代结构。本项目中我们着重弄开展了半导体纳米线的光学特性模拟仿真，并在此基础上设计、制备了两种原型器件：单根纳米线光电探测器和纳米线阵列光电器件。①在理论方面，本课题揭示了纳米线阵列的优异光电特性，其光吸收效率要高于经典薄膜材料1.5倍以上。这种现象来源于自身的独特光学结构。作为典型的周期性亚波长结构，纳米线阵列中存在丰富的光学模式，这些模式使得纳米线能在非常有限的空间尺度内局域光场，是纳米线优异光吸收特征的微观起源。②在实验方面，本课题提出并实现了两类新型光电探测器结构：单根纳米线器件和纳米线阵列器件。尽管器件结构、制备工艺迥异，我们通过大量的实验摸索最终都实现了较好的光电性能。特别值得指出的是两者的响应率、光电增益等核心指标相互接近，这说明单根纳米线自身的增益是这一体系优异光电性能的起源。基于上述原创性成果，已发表了SCI论文一篇（journal of infrared and millimeter waves），申请专利2项。考虑到项目中两类原型器件的研发周期较长，相关实验结果目前还在审稿中，后续会持续跟进。项目的实施将有助于后续对半导体纳米线，这一体系的物性和器件研究。最核心的是我们揭示了纳米线自身光电增益对终态光电性能的主导性影响。因此对纳米线电子学质量的改善应该优于光学结构的设计，这要求我们在材料生长环节投入更多，通过工艺的摸索不断降低面缺陷、点缺陷等最终达到理想的晶体学结构。与此同时，项目中对两种原型器件的摸索和制备，充分展示了纳米线作为光敏介质的优势以及不足（包括结构工艺、光电性能等），这将为后续高性能器件的研发提供重要参考依据，特别是在一些偏上集成、极限光电探测的领域。