Properti Fotoelektronik Detektor Array Nanowire InAsSb Berikat Akhir di bawah Cahaya Lemah

Hasil dan Diskusi

Gambar 1 menunjukkan investigasi mikroskop elektron dari InAsSb NWs. Gambar 1a adalah gambar SEM tampilan miring, yang menunjukkan diameter rentang NW dari 100 hingga 200 nm dan panjangnya berkisar antara 6 hingga 8 μm. Gambar 1b menunjukkan gambar TEM bidang terang (BF) dari NW individu yang khas, yang menunjukkan struktur lonjong klasik. Sepanjang arah aksialnya, komposisi NW menunjukkan perubahan bertahap sedang dan konsentrasi Sb rata-rata tinggi hingga 30% berdasarkan analisis EDS kuantitatif kami (detail tersedia di File tambahan 1:Gambar S2). Gambar 1c menunjukkan gambar HRTEM bagian tengah NW, yang mengonfirmasi keberadaan bidang kembar. Pola difraksi elektron area yang dipilih (SAED) yang ditunjukkan pada Gambar 1d juga memverifikasi struktur kembaran, dan dua set difraksi terstruktur ZB (zinc blende) dapat dibedakan. Elemen Sb dapat digunakan sebagai surfaktan dan menekan fase WZ (wurtzite) dari InAs NWs [31], mendukung perubahan fase struktur dari WZ ke ZB. Dalam kasus kami, rasio V/III adalah ~ 11, yang mengarah ke lingkungan kaya-V, yang mendukung nukleasi struktur ZB [32], tetapi menyisakan beberapa bidang kembar. Penyelidikan tentang struktur kembaran di InAsSb NWs mengklaim bahwa perpindahan pada batas akan menyebabkan distribusi Sb lokal yang tidak merata [12], mendukung hamburan elektron atau perangkap pembawa [33].

Investigasi mikroskop elektron lanjutan pada InAsSb NWs. a Gambar SEM tampilan miring dari NWs. b Gambar bidang terang (BF)TEM dari NW individu. c Gambar TEM (HRTEM) resolusi tinggi yang diambil dari tengah NW dari wilayah yang ditandai di b . d Pola SAED (difraksi elektron area terpilih) yang sesuai diambil dari c

Struktur perangkat diilustrasikan pada Gambar. 2a, di mana film Au menutupi bagian atas dan bawah larik. Gambar SEM perangkat ditampilkan di File tambahan 1:Gambar S3, dengan panjang yang tersisa sekitar 3 µm dan hampir semua NW terintegrasi. Photoresist digunakan untuk menjaga orientasi NWs dan mengintegrasikan NWs ke dalam perangkat curing; dengan cara ini, perangkat lebih anti-oksidasi dan cocok untuk aplikasi. Struktur lancip digunakan dalam perangkat array NWs silikon amorf, menunjukkan penyerapan peningkatan dan tidak sensitif terhadap sudut datang [34]. Gambar 2b adalah peta sketsa antarmuka Au-InAsSb yang ditentukan oleh model MIGS. Gambar 2c, d menegaskan konduktansi yang hampir konstan, tidak bergantung pada suhu, dan nilai konduktansi sekitar 1 × 10 ^{–7 −1} . Kurva I–V pada 2 K dan 300 K tanpa cahaya datang ditunjukkan pada Gambar. 2d. Kawat nano individu memiliki nilai konduktansi yang jauh lebih besar yang ditunjukkan pada File tambahan 1:Gambar S4. Perangkat array setara dengan sirkuit paralel yang bergabung dengan ribuan NW individu sehingga konduktansi teoritis seharusnya menjadi nilai yang jauh lebih besar. Selain itu, kami memiliki dua pengetahuan dasar tentang masalah terkait konduktansi:(1) konduktansi NW individu menunjukkan ketergantungan yang kuat pada suhu; (2) perangkat array yang terbuat dari InAs NWs dalam penelitian kami juga memiliki konduktansi konstan. Oleh karena itu, kami menyimpulkan bahwa kontak antara logam dan semikonduktor pada perangkat ini memiliki resistansi yang cukup besar yang mendominasi karakteristik output secara keseluruhan.

Struktur dan sifat listrik perangkat array InAsSb NW. a Sketsa peta perangkat, dengan gambar SEM ditampilkan di sisipan. b Diagram energi dari antarmuka Au-InAsSb menyatakan. c  Konduktansi yang bergantung pada suhu perangkat. d Kurva I–V pada 2 K dan 300 K tanpa cahaya, masing-masing

Ketika Au bergabung dalam InAsSb NWs melalui kontak ikatan akhir, transfer muatan terjadi pada antarmuka melalui ekor fungsi gelombang elektron logam yang disebut kontinum MIGS [18]. Redistribusi muatan pada antarmuka terjadi setelah bentuk kontak akan menyebabkan dipol antarmuka berkembang juga [35]. Menurut model MIGS, tinggi penghalang antarmuka ditentukan oleh \({\Phi }_{\mathrm{Au}}\) (fungsi kerja logam), \({\Phi }_{\mathrm{NW }}\) (afinitas elektron dari InAsSb NW) dan \({\Delta }_{i}\) (jatuh tegangan karena dipol antarmuka yang terjadi pada pembentukan antarmuka). \({\delta }_{i}\) adalah jarak keadaan celah yang diinduksi oleh logam. Status elektronik ditampilkan pada Gambar. 2b. Dipol antarmuka dapat menciptakan penghalang ekstra untuk elektron [36], namun efeknya dibatasi di wilayah \({\delta }_{i}\). Di atas segalanya, sifat intrinsik perangkat dimodulasi oleh resistansi kontak parasit yang besar [37]. Di perangkat kami, resistansi kontak yang besar mengurangi arus gelap secara efektif, sementara nilainya tidak tergantung pada suhu. Dengan cara ini, konsentrasi pembawa dapat dibatasi dalam kisaran yang menguntungkan untuk deteksi cahaya. Namun mekanisme resistensi kontak karena dipol antarmuka yang tetap konstan dengan berbagai suhu masih menjadi penelitian yang lebih rinci.

Pada Gbr. 3a, kami menampilkan arus perangkat dari 2 hingga 120 K dengan dan tanpa iluminasi cahaya, dan sisanya ditampilkan di File tambahan 1:Gambar S5. Status LED disetel dengan waktu, di mana status "ON" dan "OFF" masing-masing akan bertahan selama 60 d. Nilai arus spesifik LED yang ditunjukkan pada status "ON" adalah 10, 20, 50, 100, 200, 500, 1000, 2000 dan 3000 uA, masing-masing. Pengukuran dilakukan pada suhu yang berbeda dari 2 hingga 300 K. Inset pada Gambar. 3a menunjukkan kondisi dengan tiga cahaya terlemah (sekitar 4–10 nW/cm ² ) iluminasi, menunjukkan kecenderungan yang sama dengan Gambar 3a. Namun, perilaku optik yang berbeda dapat dinyatakan dengan cahaya terlemah, terutama untuk kecepatan respons yang lebih lambat dan fotokonduktansi yang sedikit persisten. Gambar 3b menunjukkan waktu respons perangkat pada 20 K, sedangkan arus LED adalah 2000 A. Perlu dicatat bahwa, Gambar 3c diperoleh di lingkungan sekitar pada suhu kamar. Lebih penting lagi, sumber cahaya yang kami gunakan di sini adalah semua LED, dan nilai intensitas cahayanya adalah 4000 nW/cm ² (260 nm), 558 nW/cm ² (620 nm) dan 14 nW/cm ² (945 nm), masing-masing. Terlepas dari fotoresponsivitas, dari kecepatan respons dengan panjang gelombang cahaya yang berbeda, kita dapat menyimpulkan bahwa InAsSb NWs memiliki respons yang lebih baik terhadap cahaya inframerah.

Ketergantungan waktu dari konduktansi source-drain di bawah suhu yang berbeda. a Respons foto perangkat pada suhu yang berbeda hingga 620 nm LED dengan arus input yang berbeda. b Waktu respons perangkat pada 20 K, sedangkan arus input LED adalah 2000 μA. c Kinerja fotolistrik ketergantungan panjang gelombang perangkat pada suhu kamar dengan penerangan 260 nm, 620 nm, dan 945 nm. Sisipan menunjukkan versi respons foto yang diperbesar ke LED 260 nm

Gambar 3a menunjukkan bahwa perangkat kami memiliki respons positif yang cepat dan jelas terhadap perubahan status LED di bawah suhu yang berbeda, dan fotokonduktansi meningkat dengan arus LED. Tanpa penerangan cahaya, konduktansi perangkat sekitar 1,04 × 10 ^{–7 −1} , yang sesuai dengan pengujian keluaran yang ditunjukkan pada Gambar. 2c. Pada suhu tetap, nilai G (didefinisikan sebagai konduktansi dikurangi konduktansi gelap) meningkat hampir linier dengan arus LED yang mewakili intensitas cahaya. Ketika sumber cahaya diblokir, arus perangkat segera pulih ke keadaan semula. Nilai maksimum G dalam plot ini adalah 3,2 × 10 ^{–8 −1} pada 10 K. Perlu dicatat bahwa dua jenis respons foto dapat dibedakan dalam plot ini:

1. 1.

   untuk sebagian besar suhu, arus meningkat pesat setelah LED dinyalakan, dan arus stabil selama LED menyala;

2. 2.

   pada 10 K dan 20 K, arus meningkat pesat dengan penerangan cahaya juga. Namun arus sedikit berkurang dengan LED menyala, meninggalkan ekor di plot, yang tidak ditemukan di suhu lain.

Untuk memperjelas mekanisme intrinsik dalam dua jenis respons foto yang berbeda, informasi kecepatan respons pada 20 K saat arus LED adalah 2000 μA diekstraksi sebagai bukti dan nilai spesifik ditunjukkan pada Gambar. 3b. Waktu respons [38, 39] (τ _ris mewakili kesenjangan waktu dari puncak arus 90% ke puncak arus 10%) ditentukan sebagai 1,8 s, sedangkan waktu pemulihan (τ _rek didefinisikan sebaliknya) adalah 2,4 s, yang hampir konstan di seluruh rentang suhu. Untuk 10 K dan 20 K, waktu tunda dari struktur “ekor” adalah sekitar 15,7 dtk, yang secara mengejutkan tidak ada saat penerangan arus LED lebih kecil dari 500 μA. Dikombinasikan dengan kondisi cahaya yang lemah di sisipan Gambar 3a, tiga jenis fotorespons pada 10 K dan 20 K dapat didemonstrasikan. Dengan cahaya terlemah (10–50 μA), arus perlahan meningkat seiring waktu. Saat arus LED dinaikkan menjadi 100–500 μA, responsnya menjadi cepat. Setelah arus lebih dari 1000 μA, ekornya terbentuk. Dengan kata lain, hanya intensitas cahaya yang cukup yang dapat memicu struktur "ekor" sementara. Struktur "ekor" serupa telah dilaporkan secara luas di InAs NWs [40, 41]. Sumber cahaya dalam laporan ini semuanya laser dengan intensitas cahaya tinggi, yang konsisten dengan hasil kami bahwa struktur "ekor" hanya muncul di zona cahaya intensitas tinggi. Mereka mengklaim bahwa "ekor" berasal dari efek tertinggal yang sesuai dengan perangkap dan de-perangkap pembawa di permukaan negara [42]. Untuk InAsSb NWs dalam kasus kami, keadaan permukaan lebih tak terelakkan karena efek surfaktan yang parah digabungkan dengan Sb [43]. Oleh karena itu, kami mengantisipasi bahwa struktur "ekor" berasal dari keadaan cacat struktur kembaran yang hanya menjebak elektron pada suhu tertentu dengan bantuan cahaya yang cukup kuat.

Untuk fotodetektor tertentu, fotoresponsivitas dapat dinyatakan dengan [44]

di mana \({I}_{\mathrm{p}}\) adalah arus foto perangkat, \(P\) adalah daya lampu pada perangkat, dan \(A\) mewakili area efektif perangkat. Untuk perangkat kami, area efektif perangkat adalah 1 mm ² yang ditentukan oleh topeng yang digunakan selama penguapan elektroda, dan area penerima cahaya fotometer adalah 0,9 cm ² . Dalam keadaan ini, fotoresponsivitas perangkat dapat ditentukan masing-masing menjadi 4,25 mA/W (260 nm), 1,27 A/W (620 nm) dan 28,57 A/W (945 nm), yang selanjutnya menegaskan potensi InAsSb Perangkat berstruktur sandwich NW dalam deteksi inframerah.

Fotodetektifitas perangkat dapat ditampilkan sebagai [14]

dimana R adalah fotoresponsivitas perangkat dan e adalah muatan elektronik. Aku _gelap mewakili arus gelap perangkat, dan nilainya adalah 10,8 nA. Dengan arus gelap yang ditekan dalam struktur sandwich InAsSb NW, nilai \({D}^{*}\) fotodetektor mencapai 7,28 × 10 ⁷ (260 nm), 2 × 10 ¹⁰ (620 nm) dan 4,81 × 10 ¹¹ cm·Hz ^1/2 W ⁻¹ (945 nm), masing-masing. Khususnya, rasio tugas NW dalam struktur larik ini lebih kecil dari 50%, yang membuat R aktual dan \({D}^{*}\) lebih besar dari hasil yang kita hitung. R . yang tinggi dan \({D}^{*}\) tidak hanya dikaitkan dengan efek perangkap cahaya dari perangkat array tetapi juga berasal dari struktur antarmuka [2]. Dibandingkan dengan fotodetektor berbasis nanowire yang dirangkum dalam Ref. [45], suhu pengoperasian 300 K untuk perangkat kami memiliki potensi aplikasi yang unggul dalam pemandangan dunia nyata [6]. Selain itu, pada kisaran suhu ruangan, responsivitas foto dari perangkat array NW InAsSb kami yang mudah dibuat (28,57 A/W pada 945 nm) dapat melebihi perangkat berbasis NW yang paling rumit (WSe₂ /Bi₂ Te₃ :20 A/W pada 980 nm [46], PtSe₂ /perovskite:0,12 A/W pada 800 nm [47]). Meskipun dipol antarmuka tidak dapat dijangkau secara eksperimental, karakteristik keluaran pada Gambar 2 dapat memberikan bukti kuat tentang keberadaannya di perangkat kami. Seperti yang disarankan dalam diskusi sebelumnya, lapisan antarmuka perangkat dapat berfungsi sebagai kisi dipol optik dengan penerangan cahaya, yang dapat berkontribusi pada faktor peningkatan medan yang lebih besar. Efek ini disebut sebagai interface dipole enhancement effect (IDEE) dalam penelitian sebelumnya [48]. IDEE bekerja untuk rentang panjang gelombang yang lebih besar daripada efek peningkatan plasmon permukaan yang hanya ada dalam rentang panjang gelombang resonansi. Efek peningkatan di sekitar status antarmuka dan efek perangkap cahaya dari perangkat array bekerja sama untuk deteksi cahaya yang lemah di perangkat kami.

Gambar 4 menunjukkan hubungan antara respons foto perangkat InAsSb NW sebagai fungsi suhu (Gbr. 4a) dan intensitas cahaya (Gbr. 4b). Nilai \({I}_{p}\) adalah nilai ekstrem yang dapat diperoleh arus foto dengan lampu menyala. Respon foto dinormalisasi dengan intensitas cahaya yang tepat untuk melindungi pengaruhnya terhadap kecenderungan. Pada awalnya, kita dapat menyimpulkan kecenderungan yang sama dengan pencahayaan intensitas cahaya yang berbeda. Di semua plot, fotokonduktansi absolut meningkat dari 2 menjadi 20 K dan kemudian menurun hingga 80 K, meninggalkan puncak pertama sekitar 20 K dan puncak kedua sekitar 100-120 K. Kisaran suhu puncak ini sesuai dengan suhu spesifik rentang di mana "ekor" arus foto sementara ada. Puncak lainnya adalah sekitar 100–120 K, dan lokasi spesifiknya bergeser ke zona suhu yang lebih tinggi dengan meningkatnya intensitas cahaya.

a Ketergantungan suhu G diukur dengan intensitas cahaya yang berbeda. b Ketergantungan kekuatan G diukur pada suhu yang berbeda. c Struktur pita perangkat dengan tegangan bias. d Struktur pita perangkat dengan penerangan cahaya

Arus foto dapat dinyatakan dengan [28]

di mana \(q\) adalah muatan unsur, \(g\) adalah laju generasi pembawa foto, \({V}_{\mathrm{NW}}\) adalah volume NW, \(\tau\) adalah seumur hidup pembawa minoritas, dan \({\mu }_{d}\) adalah mobilitas drift dan \(l\) adalah panjang NW. Persamaan ini menjelaskan masa pakai pembawa minoritas dan mobilitas drift adalah dua parameter kunci untuk arus foto [43]. Proses optoelektrik perangkat array InAsSb ditunjukkan pada Gambar. 4c, d. Sebelum cahaya diimpor, transfer elektron antara Au dan InAsSb NWs membentuk arus gelap. Status celah karena dipol antarmuka cukup pendek untuk transfer pembawa dengan momentum yang cukup. Di perangkat kami, status antarmuka yang diinduksi oleh struktur kembaran asli dan cacat yang diinduksi fabrikasi dapat bertindak sebagai status perangkap. Saat lampu menyala, kelebihan elektron dengan energi dan momentum yang cukup akan terperangkap pada keadaan antarmuka seperti yang ditunjukkan pada proses I dan III. Penurunan konsentrasi elektron membuat mobilitas dalam saluran meningkat dan memperpanjang umur elektron fotogenerasi. Di sisi lain, elektron yang terperangkap dalam keadaan antarmuka menyebarkan elektron di saluran dan membuat mobilitas menurun. Elektron yang dilepaskan akan kembali ke pita konduktansi melalui proses IV dan berpartisipasi dalam arus. Elektron dengan energi yang lebih rendah akan dimotivasi ke pita konduktif dan berpartisipasi dalam arus seperti yang ditunjukkan pada proses II. Setelah beberapa saat, elektron akan rekombinan dengan lubang yang tersisa di pita valensi seperti yang ditunjukkan pada proses V. Kita dapat menyimpulkan dua jenis proses hamburan di perangkat:pusat hamburan elektron yang menjebak dan hamburan elektron-elektron di saluran [49] . Semakin banyak elektron yang terperangkap pada keadaan antarmuka akan menurunkan mobilitas pembawa dan konsentrasi pembawa di saluran. Selanjutnya, hamburan elektron-elektron akan melemah dan bertindak pada peningkatan mobilitas pada gilirannya. Kesimpulannya, kedua proses hamburan ini akan bekerja sama pada arus dan mendapatkan ekstrem sekitar 10–20 K. Fitur penting dari puncak ini adalah struktur “ekor”, situs puncak yang stabil, dan fotokonduktansi persisten dengan iluminasi cahaya ultralemah. Dengan iluminasi cahaya yang sangat lemah, jumlah foton yang diinduksi tidak cukup untuk mencapai arus foto jenuh sekaligus. Oleh karena itu, perangkat menunjukkan arus foto yang persisten hingga saturasi. Ketika intensitas cahaya meningkat, pembawa photoexcited meningkatkan arus dan mencapai nilai ekstrim dalam waktu respon yang singkat. Namun, ini lebih rumit dengan intensitas cahaya yang lebih tinggi. Pembawa berlebih di atas keadaan jenuh menjadi terperangkap dalam keadaan antarmuka. Ketika elektron yang terperangkap dilepaskan ke pita konduktansi, konsentrasi meningkat lagi. Peningkatan hamburan elektron-elektron membuat arus berkurang, yang disebut sebagai efek tertinggal, dan menciptakan struktur "ekor".

Untuk puncak kedua sekitar 100–120 K, pergeseran puncak serupa telah dilaporkan di Bi₂ Te₃ film [50]. Analisis kami menunjukkan adanya pusat rekombinasi dalam kisaran suhu ini. Mekanisme intrinsik mirip dengan Bi₂ Te₃ , baik terkait dengan keseimbangan arus foto (\({I}_{\mathrm{p}}\)) dan arus gelap (\({I}_{\mathrm{d}}\)). Dalam kasus kami, \({I}_{\mathrm{d}}\) hampir konstan di seluruh rentang suhu pengukuran. \({I}_{\mathrm{p}}\) ditentukan oleh masa pakai pembawa minoritas dan mobilitas drift. Tercatat bahwa kedua parameter InAsSb NW ini memiliki hubungan ketergantungan yang berlawanan dengan suhu. Untuk masa hidup pembawa minoritas, pembawa gelap tereksitasi termal meningkat dengan suhu serta tingkat rekombinasi pembawa fotogenerasi [51]. Dengan demikian, masa pakai pembawa minoritas berbanding terbalik dengan suhu. Mobilitas drift sebanding dengan suhu karena suhu tinggi menimbulkan efek eksitasi termal di NWs. Puncaknya muncul ketika \({I}_{\mathrm{p}}\) dan \({I}_{\mathrm{d}}\) mencapai keseimbangan pada suhu tertentu, yaitu sekitar 100–120 K Dengan intensitas cahaya yang lebih tinggi, sejumlah besar pembawa fotogenerasi akan membutuhkan lebih banyak pembawa tereksitasi termal pada suhu yang lebih tinggi untuk membutuhkan keseimbangan. Oleh karena itu, puncak kedua bergeser ke suhu yang lebih tinggi ketika intensitas cahaya meningkat. Gambar 4b menunjukkan fotokonduktivitas ketergantungan intensitas cahaya dari perangkat InAsSb NW, di mana G nilai tidak dinormalisasi. Seperti yang dapat dilihat, intensitas cahaya LED meningkat secara linear dengan arus input (lihat File tambahan 1:Gambar S6). 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.