近日，中國科學技術大學微電子學院龍世兵教授、孫海定研究員團隊在氮化鎵（GaN）半導體 p-n 異質結中實現(xiàn)了獨特的光電流極性反轉（即雙向光電流現(xiàn)象）。

中國科大消息顯示，過去兩年多來，團隊利用分子束外延（MBE）技術所制備的高晶體質量氮化鎵（GaN）納米線，構建了應用于日盲紫外光探測領域的光電化學光探測器。更進一步，詳細討論了 GaN 基 p-n 結納米線內部的電荷轉移動力學，并通過在半導體納米線表面修飾貴金屬納米顆粒，實現(xiàn)了電荷轉移動力學的可控調制及高效紫外光探測。

據(jù)悉，基于前期的工作積累，研究人員從 GaN 基半導體 p-n 異質結能帶結構設計，MBE 外延工藝探索及納米線形貌調控出發(fā)，結合 DFT 第一性原理理論計算優(yōu)化及半導體表面金屬鉑（Pt）納米顆粒定向修飾，成功構建了基于 p-AlGaN/n-GaN 異質 p-n 結的光譜可分辨型光電探測器 [Nature Electronics 2021, 4, 645–652]。

在固定偏壓下，該器件在兩種不同波長光的照射下展現(xiàn)出獨特的光電流極性反轉現(xiàn)象：在 254nm 光照下光電流為負電流，而在 365nm 光照下光電流為正電流。具體來說，為實現(xiàn)光電流極性反轉，特殊設計的頂部 p-AlGaN 被用于與底部 n-GaN 共同吸收波長 254 nm 的光。在 254nm 光照射下，p-AlGaN 和 n-GaN 中同時產生電子-空穴對。其中，p-AlGaN 在電解質溶液中向下的表面能帶彎曲有利于其中的光生電子向納米線表面漂移，驅動質子還原反應，而光生空穴則向 p-n 結中的空間電荷區(qū)域遷移，與 n-GaN 產生的光生電子隧穿復合。與此同時，n-GaN 中的光生空穴流經(jīng)外電路，表現(xiàn)出負的光電流信號。

而當納米線暴露在 365nm 光下時，因 p-AlGaN 不吸收 365nm 光照，僅有 n-GaN 吸收 365nm 光照后產生光生電子-空穴對。而后，由 n-GaN 在電解質溶液中呈現(xiàn)的向上表面能帶彎曲作為驅動力，促使 n-GaN 中的光生空穴漂移到納米線/溶液界面并進行水氧化反應。同時，在表面能帶彎曲和 p-n 結內建電場共同作用下，電子向外電路漂移，被記錄為正的光電流。更進一步，理論計算證實：通過在半導體 p-AlGaN 表面修飾貴金屬 Pt 納米顆粒可以有效改善氫吸附自由能并提高光電化學光探測過程中的光生載流子分離效率。

據(jù)此，研究人員利用光化學還原法，成功在納米線 p-AlGaN（000-1）晶面定向修飾 Pt 納米顆粒。最終，在固定偏壓下，研究人員成功觀察到在不同波長光照下 GaN 基 pn 結納米線中的光電流極性反轉現(xiàn)象。

據(jù)介紹，該新型器件架構不僅克服了傳統(tǒng)固態(tài) p-n 結光電探測器的功能限制，通過改變半導體材料本身帶隙（如組分調控等手段），還可以實現(xiàn)從深紫外到近紅外全光譜響應覆蓋，有望為便攜式光譜儀、液體環(huán)境（如水下，生物體內）光電探測和傳感、高分辨率多通道光電傳感器/成像設備、光控邏輯電路等未來新學科交叉領域帶來新的應用突破。

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