약한 빛에서 말단 결합된 InAsSb 나노와이어 어레이 검출기의 광전자 특성

결과 및 토론

그림 1은 InAsSb NW의 전자 현미경 검사를 보여줍니다. 그림 1a는 NW의 직경이 100~200nm 범위이고 길이가 6~8μm 범위임을 보여주는 틸트 뷰 SEM 이미지입니다. 그림 1b는 전형적인 개별 NW의 명시야(BF) TEM 이미지를 보여주며 이는 전형적인 테이퍼링 구조를 나타냅니다. 축 방향을 따라 NW의 구성은 중간 정도의 점진적 변화를 보여주고 평균 Sb 농도는 정량적 EDS 분석을 기반으로 최대 30%까지 높습니다(자세한 내용은 추가 파일 1:그림 S2 참조). 그림 1c는 NW의 중간 부분의 HRTEM 이미지를 보여주고 쌍면의 존재를 확인합니다. 그림 1d에 표시된 선택 영역 전자 회절(SAED) 패턴도 쌍정 구조를 확인하고 ZB(아연 블렌드) 구조의 두 세트의 회절을 구별할 수 있습니다. Sb 원소는 계면 활성제로 사용될 수 있으며 InAs NW[31]의 WZ(wurtzite) 상을 억제하여 WZ에서 ZB로의 구조 상 변화를 촉진합니다. 우리의 경우 V/III 비율은 ~ 11이며, ZB 구조의 핵 생성을 선호하지만 몇 개의 쌍둥이 평면을 남기는 V 풍부한 환경으로 이어집니다. InAsSb NW의 쌍정 구조에 대한 조사는 경계에서의 변위가 불균일한 국부적 Sb 분포를 일으켜 [12] 전자 산란 또는 캐리어 트래핑을 선호한다고 주장했습니다[33].

InAsSb NW에 대한 고급 전자 현미경 조사. 아 NW의 틸트 뷰 SEM 이미지. ㄴ 개별 NW의 명시야(BF)TEM 이미지. ㄷ b의 표시된 영역에서 NW의 중앙에서 촬영한 고해상도 TEM(HRTEM) 이미지 . d c에서 가져온 해당 SAED(선택 영역 전자 회절) 패턴

장치 구조는 그림 2a에 나와 있으며 Au 필름이 어레이의 상단과 하단을 덮고 있습니다. 장치의 SEM 이미지는 추가 파일 1:그림 S3에 나와 있습니다. 여기서 나머지 길이는 약 3µm이고 거의 모든 NW가 통합되어 있습니다. 포토레지스트는 NW의 방향을 유지하고 NW를 경화 장치에 통합하는 데 사용됩니다. 이런 식으로 장치는 더 산화 방지되고 응용 프로그램에 적합합니다. 테이퍼 구조는 비정질 실리콘 NW 어레이 장치에 사용되어 향상된 흡수를 보여주고 입사각에 둔감합니다[34]. 그림 2b는 MIGS 모델에 의해 결정된 Au-InAsSb 인터페이스의 스케치 맵입니다. 그림 2c, d는 온도에 관계없이 거의 일정한 컨덕턴스를 확인하고 컨덕턴스 값은 약 1 × 10 ^–7 Ω ⁻¹ . 입사광이 없는 2K 및 300K의 I-V 곡선은 그림 2d에 나와 있습니다. 개별 나노와이어는 추가 파일 1:그림 S4에 표시된 컨덕턴스 값이 훨씬 더 큽니다. 어레이 장치는 수천 개의 개별 NW로 연결된 병렬 회로와 동일하므로 이론적인 전도도는 훨씬 더 중요한 값이어야 합니다. 또한 컨덕턴스 관련 문제에 대한 두 가지 기본 지식이 있습니다. (1) 개별 NW의 컨덕턴스는 온도에 대한 강한 의존성을 보여줍니다. (2) 우리 연구에서 InAs NW로 만들어진 어레이 장치도 일정한 컨덕턴스를 가지고 있습니다. 따라서 우리는 이 장치에서 금속과 반도체 사이의 접촉이 전체 출력 특성을 지배하는 상당한 저항을 갖는다는 결론을 내렸습니다.

InAsSb NW 어레이 장치의 구조 및 전기적 특성. 아 삽입된 SEM 이미지가 있는 장치의 스케치 맵. ㄴ Au-InAsSb 인터페이스 상태의 에너지 다이어그램. ㄷ 장치의 온도 종속 전도도. d 조명이 없는 경우 각각 2K 및 300K의 I–V 곡선

Au가 말단 결합 접점을 통해 InAsSb NW에 결합되면 MIGS의 연속체라고 하는 금속 전자 파동 함수의 꼬리를 통해 계면에서 전하 이동이 발생합니다[18]. 접점 형태가 계면 쌍극자도 발달하도록 하면 계면에서의 전하 재분배가 발생합니다[35]. MIGS 모델에 따르면 인터페이스 장벽 높이는 \({\Phi }_{\mathrm{Au}}\) (금속의 일 함수), \({\Phi }_{\mathrm{NW }}\) (InAsSb NW의 전자 친화도) 및 \({\Delta }_{i}\) (계면 형성 시 발생하는 계면 쌍극자로 인한 전압 강하). \({\delta }_{i}\)는 금속에 의해 유도된 갭 상태의 거리입니다. 전자 상태는 그림 2b에 표시됩니다. 인터페이스 쌍극자는 전자에 대한 추가 장벽을 생성할 수 있지만 [36], 그 효과는 \({\delta }_{i}\) 영역에서 제한됩니다. 무엇보다 소자의 고유한 특성은 큰 기생 접촉 저항에 의해 변조됩니다[37]. 우리 장치에서 큰 접촉 저항은 암전류를 효과적으로 감소시키는 반면 값은 온도와 무관합니다. 이러한 방식으로, 캐리어 농도는 광 검출에 유리한 범위로 제한될 수 있습니다. 그러나 다양한 온도에서 일정하게 유지되는 인터페이스 쌍극자로 인한 접촉 저항의 메커니즘은 더 자세한 연구로 남아 있습니다.

그림 3a에서는 조명이 있는 경우와 없는 경우 2K에서 120K 사이의 장치 전류를 표시하고 나머지는 추가 파일 1:그림 S5에 표시됩니다. LED의 상태는 시간에 따라 조정되며 'ON' 및 'OFF' 상태가 각각 60초 동안 유지됩니다. "ON" 상태에서 표시되는 LED의 특정 전류 값은 각각 10, 20, 50, 100, 200, 500, 1000, 2000 및 3000uA입니다. 측정은 2~300K의 다양한 온도에서 이루어집니다. 그림 3a의 삽입은 세 개의 가장 약한 빛(약 4~10nW/cm ² ) 조명, 그림 3a와 유사한 경향을 나타냅니다. 그러나 가장 약한 빛, 특히 느린 응답 속도와 약간 지속되는 광전도성의 경우 분명히 다른 광학 동작이 나타날 수 있습니다. 그림 3b는 20K에서 기기의 응답 시간을 보여 주는 반면 LED의 전류는 2000μA입니다. 주목할 가치가 있는 것은 그림 3c는 실온의 주변 환경에서 얻은 것입니다. 더 중요한 것은 여기서 사용한 광원은 모두 LED이고 광도 값은 4000nW/cm ² 입니다. (260nm), 558nW/cm ² (620nm) 및 14nW/cm ² (945nm), 각각. 광 반응성과는 별도로 다양한 광 파장의 응답 속도에서 InAsSb NW가 적외선에 더 잘 응답한다는 결론을 내릴 수 있습니다.

다양한 온도에서 소스-드레인 컨덕턴스의 시간 의존성. 아 입력 전류가 다른 620nm LED에 대한 다양한 온도에서 기기의 광응답. ㄴ 20K에서 기기의 응답 시간은 LED의 입력 전류가 2000μA인 동안입니다. ㄷ 260nm, 620nm, 945nm의 조명이 있는 실온에서 장치의 파장 의존성 광전 성능. 삽입된 사진은 260nm LED에 대한 광반응의 확대된 버전을 보여줍니다.

그림 3a는 우리 장치가 다양한 온도에서 LED 상태의 변화에 ​​대해 빠르고 분명한 긍정적인 응답을 가지며 LED 전류에 따라 광전도도가 증가함을 보여줍니다. 조명이 없으면 장치의 전도도는 약 1.04 × 10 ^–7 입니다. Ω ⁻¹ , 이는 그림 2c에 표시된 출력 테스트와 일치합니다. 고정 온도에서 ΔG 값 (컨덕턴스에서 다크 컨덕턴스를 뺀 값으로 정의됨) 빛의 강도를 나타내는 LED 전류와 거의 선형으로 증가합니다. 광원이 차단되면 장치의 전류는 즉시 원래 상태로 복구됩니다. ΔG의 최대값 이 플롯에서 3.2 × 10 ^–8 입니다. Ω ⁻¹ at 10 K. 이 그림에서 두 가지 종류의 광반응을 구별할 수 있습니다.

<리> 1.

대부분의 온도에서 LED가 켜지면 전류가 급격히 증가하고 LED가 켜져 있는 동안에는 전류가 안정적입니다.

<리> 2.

10K 및 20K에서 전류는 조명 조명과 함께 급격히 증가합니다. 그러나 전류는 LED가 켜진 상태에서 약간 감소하여 플롯에 꼬리를 남깁니다. 다른 온도에서는 볼 수 없습니다.

두 가지 다른 종류의 광응답에서 고유한 메커니즘을 명확히 하기 위해 LED의 전류가 2000μA일 때 20K에서의 응답 속도 정보를 증거로 추출하고 구체적인 값을 그림 3b에 나타내었습니다. 응답 시간 [38, 39] (τ _리스 90% 전류 피크에서 10% 전류 피크까지의 시간 간격을 나타내는)는 1.8초로 결정되는 반면 복구 시간(τ _녹음 반대로 정의됨)은 2.4초로 전체 온도 범위에서 거의 일정합니다. 10K 및 20K의 경우 "꼬리" 구조의 지연 시간은 약 15.7초로, LED 전류의 조명이 500μA보다 작을 때 놀랍게도 존재하지 않습니다. 그림 3a의 삽입된 약한 조명 조건과 결합하여 10K 및 20K에서 3가지 종류의 광반응을 시연할 수 있습니다. 가장 약한 빛(10~50μA)에서는 전류가 시간에 따라 천천히 증가합니다. LED 전류가 100~500μA로 증가하면 응답이 빨라집니다. 전류가 1000μA를 초과하면 꼬리가 형성됩니다. 다시 말해, 충분한 광도만이 일시적인 "꼬리" 구조를 유발할 수 있습니다. 유사한 "꼬리" 구조가 InAs NW에서 널리 보고되었습니다[40, 41]. 이 보고서의 광원은 모두 광도가 높은 레이저이며, "꼬리" 구조가 고강도 광 영역에서만 나타난다는 우리의 결과와 일치합니다. 그들은 "꼬리"가 표면 상태에서 캐리어의 트래핑 및 디 트래핑에 해당하는 지연 효과에서 비롯된다고 주장했습니다[42]. InAsSb NW의 경우 Sb와 결합된 심각한 계면활성제 효과로 인해 표면 상태가 더 불가피합니다[43]. 따라서 우리는 "꼬리" 구조가 쌍정 구조의 결함 상태에서 비롯되며 충분히 강한 빛의 도움으로 특정 온도에서만 전자를 가두는 것으로 예상합니다.

주어진 광검출기의 경우, 광감응도는 [44]

여기서 \({I}_{\mathrm{p}}\)는 장치의 광전류, \(P\)는 장치의 조명 전력, \(A\)는 장치의 유효 면적을 나타냅니다. 우리 기기의 경우 기기의 유효 면적은 1mm ² 입니다. 이는 전극 증발 동안 사용된 마스크에 의해 결정되며 광도계의 수광 영역은 0.9cm ² 입니다. . 이 상황에서 장치의 광응답은 각각 4.25mA/W(260nm), 1.27A/W(620nm) 및 28.57A/W(945nm)로 결정되어 InAsSb의 잠재력을 더욱 확인했습니다. 적외선 감지에서 NW 샌드위치 구조의 장치.

장치의 광검출성은 다음과 같이 표시될 수 있습니다. [14]

여기서 R 는 장치의 감광도이며 e 전자담배이다. 나 _어두운 는 기기의 암전류를 나타내며 값은 10.8nA입니다. InAsSb NW 샌드위치 구조에서 암전류가 억제되면 광검출기의 \({D}^{*}\) 값은 7.28 × 10 ⁷ 에 도달합니다. (260nm), 2 × 10 ¹⁰ (620nm) 및 4.81 × 10 ¹¹ cm·Hz ^1/2 W ⁻¹ (945nm), 각각. 특히, 이 어레이 구조에서 NW의 듀티비는 50%보다 작기 때문에 실제 R 그리고 \({D}^{*}\) 우리가 계산한 결과보다 큽니다. 높은 R 및 \({D}^{*}\)는 어레이 장치의 빛 트래핑 효과에 기인할 뿐만 아니라 인터페이스 구조에서 비롯됩니다[2]. 참고문헌에 요약된 나노와이어 기반 광검출기와 비교. [45], 우리 기기의 작동 온도 300K는 실제 풍경에서 더 우수한 응용 가능성을 가지고 있습니다[6]. 또한 실온 범위에서 쉽게 제작된 InAsSb NW 어레이 장치(945nm에서 28.57A/W)의 감광성은 가장 복잡한 NW 기반 장치(WSe₂ /Bi₂ 테₃ :980nm에서 20A/W[46], PtSe₂ /perovskite:800nm에서 0.12A/W[47]). 인터페이스 쌍극자는 실험적으로 도달할 수 없지만 그림 2의 출력 특성은 장치에 존재한다는 확실한 증거를 제공할 수 있습니다. 이전 논의에서 제안한 바와 같이, 장치의 계면 층은 광 조명과 함께 광학 쌍극자 격자로 기능할 수 있으며, 이는 더 큰 필드 향상 인자에 기여할 수 있습니다. 이 효과를 이전 연구에서 인터페이스 쌍극자 향상 효과(IDEE)라고 합니다[48]. IDEE는 공명 파장 범위 내에서만 존재하는 표면 플라즈몬 강화 효과보다 더 큰 파장 범위에서 작동합니다. 계면 상태 주변의 향상 효과와 어레이 장치의 빛 트래핑 효과가 함께 작동하여 장치의 약한 빛 감지를 수행합니다.

그림 4는 온도(그림 4a)와 광도(그림 4b)의 함수로서 InAsSb NW 장치의 광반응 사이의 관계를 보여줍니다. \({I}_{p}\)의 값은 광전류가 조명을 켤 때 얻을 수 있는 극한 값입니다. 광반응은 경향에 대한 영향을 차폐하기 위해 정확한 광도에 의해 정규화됩니다. 처음에는 서로 다른 광도 조명으로 유사한 경향을 결론지을 수 있습니다. 모든 플롯에서 절대 광전도율은 2에서 20K로 증가한 다음 80K까지 감소하여 첫 번째 피크는 약 20K, 두 번째 피크는 약 100–120K가 됩니다. 이 피크의 온도 범위는 특정 온도와 일치합니다. 과도 광전류 "꼬리"가 존재하는 범위. 다른 피크는 약 100–120K이며, 특정 위치는 광도가 증가함에 따라 더 높은 온도 영역으로 이동합니다.

아 ΔG의 온도 의존성 다른 빛의 강도로 측정됩니다. ㄴ ΔG의 전력 의존성 다른 온도에서 측정됩니다. ㄷ 바이어스 전압이 있는 장치의 밴드 구조. d 조명 장치의 밴드 구조

광전류는 [28]

여기서 \(q\)는 원소 전하, \(g\)는 광캐리어 생성률, \({V}_{\mathrm{NW}}\)는 NW 부피, \(\tau\)는 소수 캐리어 수명이고 \({\mu }_{d}\)는 드리프트 이동도이고 \(l\)은 NW 길이입니다. 이 방정식은 소수 캐리어 수명과 드리프트 이동도가 광전류의 두 가지 주요 매개변수임을 명확히 합니다[43]. InAsSb 어레이 장치의 광전기적 과정은 그림 4c, d에 나와 있습니다. 빛을 가져오기 전에 Au와 InAsSb NW 사이의 전자 이동이 암전류를 형성합니다. 계면 다이폴로 인한 갭 상태는 충분한 운동량으로 캐리어를 전달할 수 있을 만큼 충분히 짧습니다. 우리 장치에서 기본 쌍정 구조에 의해 유도된 인터페이스 상태와 조작으로 유도된 결함은 모두 트래핑 상태로 작용할 수 있습니다. 빛이 켜지면 충분한 에너지와 운동량을 가진 과잉 전자가 공정 I 및 III에서와 같이 계면 상태에 갇힐 것입니다. 감소된 전자 농도는 채널의 이동도를 증가시키고 광 생성된 전자의 수명을 연장합니다. 한편, 계면상태에 갇힌 전자는 채널내의 전자를 산란시켜 이동도를 저하시킨다. 방출된 전자는 과정 IV를 통해 컨덕턴스 대역으로 돌아가 전류에 참여합니다. 더 낮은 에너지를 가진 전자는 전도성 밴드에 동기를 부여하고 프로세스 II에 표시된 대로 전류에 참여합니다. 잠시 후 전자는 공정 V에서 볼 수 있듯이 가전자대에 남아 있는 정공과 재조합됩니다. 우리는 장치에서 두 가지 종류의 산란 과정을 결론지을 수 있습니다. . 계면 상태에 더 많은 전자를 가두는 것은 채널의 캐리어 이동도와 캐리어 농도를 감소시킬 것입니다. 그 결과 전자-전자 산란이 약해지며 차례로 이동도 증가에 작용합니다. 결론적으로, 이 두 산란 과정은 전류에 협력하여 10-20K 주변에서 극한값을 얻습니다. 이 피크의 주목할만한 특징은 "꼬리" 구조, 안정적인 피크 사이트 및 초약량 조명에 따른 지속적인 광전도성입니다. 초약량 조명의 경우 유도된 광자의 양은 포화된 광전류에 한 번에 도달하기에 충분하지 않습니다. 따라서 장치는 포화될 때까지 지속적인 광전류를 보입니다. 광도가 증가하면 광여기된 캐리어는 전류를 증가시키고 짧은 응답 시간 내에 극한 값에 도달합니다. 그러나 빛의 강도가 높을수록 더 복잡합니다. 포화 상태에 대한 초과 캐리어는 인터페이스 상태에 갇히게 됩니다. 갇힌 전자가 전도대로 방출되면 농도가 다시 증가합니다. 전자-전자 산란이 증가하면 전류가 감소하는데 이를 지연 효과라고 하며 "꼬리" 구조를 만듭니다.

100–120K 주변의 두 번째 피크의 경우 Bi₂에서 유사한 피크 이동이 보고되었습니다. 테₃ 영화 [50]. 우리의 분석은 이 온도 범위에서 재조합 센터의 존재를 나타냅니다. 고유 메커니즘은 Bi₂와 유사합니다. 테₃ , 둘 다 광전류(\({I}_{\mathrm{p}}\))와 암전류(\({I}_{\mathrm{d}}\))의 균형과 관련이 있습니다. 우리의 경우 \({I}_{\mathrm{d}}\)는 전체 측정 온도 범위에서 거의 일정합니다. \({I}_{\mathrm{p}}\)는 소수 캐리어 수명과 드리프트 이동성에 의해 결정됩니다. InAsSb NW의 이 두 매개변수는 온도와 반대 종속 관계를 가지고 있습니다. 소수 캐리어 수명의 경우 열 여기된 암흑 캐리어는 온도와 함께 증가하고 광 생성 캐리어의 재결합 속도도 증가합니다[51]. 따라서 소수 캐리어 수명은 온도에 반비례합니다. NW에서 고온이 열 여기 효과를 발생시키기 때문에 드리프트 이동도는 온도에 비례합니다. 피크는 \({I}_{\mathrm{p}}\) 및 \({I}_{\mathrm{d}}\)가 약 100–120K의 특정 온도에서 균형을 이룰 때 나타납니다. 광도가 높을수록 더 많은 양의 광생성 캐리어가 균형을 요구하기 위해 더 높은 온도에서 더 많은 열 여기 캐리어가 필요합니다. 따라서 빛의 세기가 증가하면 두 번째 피크는 더 높은 온도로 이동합니다. 그림 4b는 InAsSb NW 장치의 광도 의존성 광전도도를 보여줍니다. 여기서 ΔG 값이 정규화되지 않습니다. 알 수 있듯이 LED의 광도는 입력 전류에 따라 선형적으로 엄격하게 증가합니다(추가 파일 1:그림 S6 참조). 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.