Sensitivitas Cahaya Rendah Ditingkatkan: Fotodetektor Array Nanowire InAsSb dengan Kontak Penghubung Ujung

Abstrak

Pembuatan sederhana detektor array nanowire (NW) InAsSb dengan kontak ujung terikat untuk cahaya lemah demonstrasi dalam studi ini. Detektor dibuat menggunakan array NW InAsSb yang tumbuh oleh epitaksi ray molecular beam pada substrat GaAs. Logam-induced gap states diinduksi oleh kontak ujung terikat yang menekan arus gelap pada berbagai suhu. Keberadaan interface dipole karena gap states interfacial meningkatkan excitasi cahaya di sekitar medan lokal dan sehingga meningkatkan fotoresponsivitas dan fotodetektivitas terhadap cahaya lemah. Intensitas cahaya sumber inframerah dalam laporan ini adalah 14 nW/cm² yang sekitar 3 hingga 4 orde magnitud lebih kecil dari sumber laser. Responsivitas detektor telah mencapai 28,57 A/W pada suhu ruang dengan radiasi cahaya (945 nm), sementara detectivity adalah 4,81 × 10¹¹ cm·Hz^1/2 W⁻¹. Performa bergantung pada suhu yang anomali muncul dalam eksperimen suhu bervariasi, dan kami membahas mekanisme terperinci di balik hubungan non-linear antara fotorespons perangkat dan suhu. Selain itu, karakteristik optoelektronik detektor menjelaskan bahwa efek penangkap cahaya dan efek photogating NW dapat meningkatkan fotorespons terhadap cahaya lemah dari ultraviolet hingga near-infrared. Hasil ini menyoroti kelayakan detektor array NW InAsSb terhadap inframerah lemah tanpa sistem pendingin.

Pendahuluan

Sebagai cabang penting dari semikonduktor III–V sempit bandgap, InAsSb memiliki keuntungan yang diwarisi dari InAs seperti massa efektif elektron kecil dan mobilitas elektron tinggi [1, 2]. Ketika elemen Sb diperkenalkan ke dalam InAs, respons panjang gelombang cut-off dari InAsSb ternari dapat diperpanjang ke rentang inframerah panjang gelombang panjang karena efek bowing bandgap [3]. Akibatnya, InAsSb dianggap sebagai calon ideal di bidang deteksi inframerah [4,5,6]. Dalam bidang optoelektronika, nanostruktur satu dimensi (1D) [7] memiliki properti unik yang luar biasa termasuk luas permukaan besar dengan banyak trap state, panjang jalur untuk penyerapan foton, dan struktur mekanis yang fleksibel karena rasio aspeknya yang besar [8]. Selain itu, selama perkembangannya, nanostruktur 1D dapat dengan mudah melepaskan ketidakcocokan jaring lattice ke substrat dan sebaliknya mencapai kualitas kristal yang tinggi [9]. Di sini, aplikasi untuk optoelektronika seperti detektor cahaya [10], sel surya [11] berdasarkan nanostruktur 1D menarik minat penelitian yang luar besar. Di antaranya, struktur perangkat yang dirancang [12] diusulkan untuk mencapai penyerapan cahaya yang dioptimalkan dan panen cahaya broadband, membuat nanostruktur 1D cocok untuk berbagai skenario aplikasi dan mencapai komponen yang kompatibel dengan rangkaian terpadu berbasis silikon. Kemudian, detektor cahaya berdasarkan NW InAs individu telah menunjukkan potensinya dalam deteksi inframerah [13]. Dengan penambahan Sb, ternari InAsSb dapat diakses di seluruh rentang spektrum luas untuk deteksi suhu ruang [14]. Dengan passivasi Al₂O₃, detektor berdasarkan NW InAsSb telah mencapai deteksi tanpa pendingin ke spektrum inframerah gelombang menengah [15]. Namun, sumber cahaya konvensional yang banyak digunakan dalam studi ini adalah laser intensitas tinggi dan sebagian besar perangkat ini tidak dapat beroperasi pada suhu ruang [16]. Selain itu, struktur perangkat konvensional berdasarkan NW tidak ramah untuk aplikasi massal dalam rangkaian terpadu yang kompatibel. Ada tiga tipe utama detektor tradisional berdasarkan NW InAsSb, termasuk perangkat NW individu [17], quantum wells embedded dalam NW InAs [3] dan perangkat NW individu vertikal [14]. Semua mereka memerlukan proses nanofabrikasi yang mahal, seperti litografi sinar elektron (EBL) dan etching ion reaktif (RIE). Di sini, inovasi dalam struktur perangkat sangat mendesak untuk aplikasi NW.

Antarmuka selalu memainkan peran vital dalam performa optik dan listrik perangkat meskipun ukurannya terbatas, sehingga engineering kontak dalam perangkat berbasis NW adalah faktor penting lainnya [18]. Misalnya, sel surya dengan properti deteksi cahaya omnidireksional yang unggul untuk cahaya lemah dicapai dalam struktur hybrid yang memanfaatkan antarmuka antara quantum dots grafit dan polystyrene sulfonate [19]. Dalam studi ini, kami memodulasi performa optoelektrik perangkat menggunakan struktur band pada antarmuka antara elektroda dan semikonduktor. Redistribusi muatan terjadi pada antarmuka logam–semikonduktor, dan transfer muatan terjadi antara logam dan tails dari gelombang fungsi logam ke dalam semikonduktor. Redistribusi ini disebut sebagai MIGS, yang dapat menginduksi gap states dan interface dipole pada keadaan interfacial [20]. Namun, hasil simulasi dari model MIGS masih memiliki deviasi dari eksperimen, yang dianggap timbul dari kekacauan antarmuka, kekacauan yang diinduksi pembuatan, dan pinning tingkat Fermi [21]. Khususnya untuk NW InAsSb dengan kekacauan permayaan yang kaya, pinning tingkat Fermi tidak dapat dihindari sehingga gap states yang diinduksikan akan menyaring transfer muatan. Dengan cara ini, arus gelap perangkat dapat ditekan dalam rentang yang dapat diterima. Selain itu, interface dipole dapat meningkatkan excitasi cahaya di medan lokal yang esensial untuk deteksi cahaya lemah. Berdasarkan diskusi oleh Chu. et.al, junction end-bonded lebih mungkin mencapai overlap keadaan antara logam dan semikonduktor daripada junction planar-bonded [18]. Namun, perangkat end-bonded melalui NW individu menghadapi hambatan dalam pembuatan. Di sini, kami mengusulkan solusi dengan menggunakan array NW untuk mencapai kontak end-bonded antara NW dan logam. Dibandingkan dengan detektor cahaya konvensional, perangkat array NW struktur sandwich memiliki keuntungan pembuatan yang mudah dan adaptabilitas lingkungan yang tinggi [22, 23]. Filler (AZ5214), yang spin-coated dan dipanaskan di sekitar NW selama proses pembuatan, membuat perangkat lebih stabil dan anti-oxidasi terhadap lingkungan. Ketika cahaya diperkenalkan ke dalam array NW, ia berefleksi dan bias dalam berbagai arah berkali-kali, meningkatkan penyerapan cahaya di dalam [24, 25]. Jalur cahaya yang diperpanjang dalam array NW disebut sebagai efek penangkap cahaya [26, 27], yang banyak digunakan dalam perangkat array berbasis NW. Kedua struktur band dan struktur perangkat memberikan perangkat potensi untuk deteksi cahaya lemah pada suhu ruang.

Dalam studi ini, kami membuat perangkat array NW berdasarkan NW InAsSb yang tumbuh oleh MBE (epitaksi ray molecular beam). Gap states dan interface dipole yang diinduksi oleh kontak logam–semikonduktor dapat menekan arus gelap dan meningkatkan deteksi cahaya secara terpisah [28]. Efek penangkap cahaya dari struktur sandwich array NW berkontribusi pada deteksi cahaya lemah [29]. Arus gelap yang ditekan pada suhu ruang secara besar meminimalkan kebisingan deteksi dan memungkinkan deteksi pada suhu ruang [30]. Struktur perangkat yang cured membuat perangkat dapat bekerja di lingkungan ambient. Selain itu, fotorespons perangkat berfluktuasi dengan suhu karena keadaan interfacial yang kompleks diantisipasi. Dengan suhu konstan, nilai arus foto meningkat secara linier dengan intensitas cahaya insiden, yang menunjukkan potensi untuk meter daya optik.

Metode/Eksperimental

NW InAsSb tumbuh pada substrat GaAs {111}B menggunakan sistem MBE (Riber 32 R&D) dengan sistem evaporasi Au in situ. Substrat epi-ready dipretreat untuk menghilangkan kontaminasi. Kemudian, lapisan buffer GaAs ditetapkan pada 540 °C selama 15 menit dan partikel Au terbentuk melalui proses evaporasi dan aneling. Stem InAs ditumbuh selama 20 menit dengan suhu dipertahankan konstan pada 380 °C, dan kemudian sumber Sb diperkenalkan ke dalam ruang pertumbuhan selama 60 menit. Selama pertumbuhan NW, In BEP (beam equivalent pressure) dipertahankan sebagai 2,7 × 10^–7 mbar, As BEP adalah 2,2 × 10^–6 mbar, dan Sb BEP adalah 7 × 10^–7 mbar, menghasilkan rasio flux V/III sekitar 11 dan rasio Sb/As sekitar 0,3.

Untuk pembuatan perangkat, AZ5214 (photoresist) digunakan sebagai agen penahan untuk mempertahankan orientasi NW. Kemudian, array NW dengan substrat spin-coated dengan AZ5214 pada 3000 rpm selama 30 detik dan dipanaskan selama 2 menit pada 120 °C. Gel AZ5214 transparan yang meminimalkan kehilangan cahaya selama pengukuran. Untuk mengungkap ujung NW, permukaan array dipoles dengan pengukur presisi (Logitech). Lapisan InAsSb yang terbentuk pada permukaan substrat selama pertumbuhan NW melalui mekanisme VS (vapor–solid) dapat berfungsi sebagai elektroda drain. Menurut pengukuran Hall dari lapisan epi InAsSb (ditampilkan dalam File Tambahan 1: Gambar S1), konsentrasi carrier pada suhu ruang sekitar 2 × 10¹⁷ cm⁻³, sementara mobilitas sekitar 1,6 × 10⁴ cm²/(V·s) pada suhu ruang. Setelah itu, film Au dengan ketebalan nominal 8 nm ditetapkan pada area yang dipilih, salah satunya di atas array, dan yang lain pada lapisan epi. Ketebalan kecil Au yang ditetapkan memastikan fotopermeabilitas elektroda dan kehilangan cahaya yang dapat diterima selama pengukuran.

Karakteristik morfologis, kimiawi, dan struktural NW InAsSb yang diperoleh diselidiki menggunakan SEM (FE-SEM, JEOL 7800F) dan TEM [TEM, Philips Tecnai F20, dilengkapi dengan energi disperse spectroscopy (EDS) untuk analisis komposisi]. NW individu untuk analisis TEM disiapkan dengan ultrasonik sampel NW dalam etanol dan mendispersekannya pada grid Cu yang didukung oleh film karbon.

Pengukuran fotokonduktivitas dilakukan dalam cryostat closed-cycle helium yang dilengkapi dengan LED sebagai sumber cahaya. Suhu dalam sistem ini dapat dimodulasi antara 2 K dan suhu ruang secara kontinu, sementara intensitas cahaya LED dapat dengan mudah diatur oleh arus input. LED dengan berbagai panjang gelombang termasuk 260 nm, 620 nm dan 945 nm digunakan dalam studi ini. Intensitas cahaya LED berkaitan dengan suhu dan arus input. Intensitas meningkat secara linier dengan arus dan menurun dengan suhu. Nilai intensitas cahaya pada suhu ruang dalam pengukuran ini adalah 4000 nW/cm² untuk 260 nm, 558 nW/cm² untuk 620 nm dan 14 nW/cm² untuk 945 nm. Informasi intensitas cahaya terkait dapat ditemukan dalam Ref. [30]. Tegangan konstan V_DS = 100 mV diberikan antara sumber dan drain. Respons fotokonduktivitas dapat diperoleh dengan menyalin/mematikan LED.

Hasil dan Pembahasan

Gambar 1 menunjukkan penyelidikan mikroskop elektron dari NW InAsSb. Gambar 1a adalah citra SEM tilted-view, menunjukkan diameter NW berkisar dari 100 hingga 200 nm dan panjang berkisar dari 6 hingga 8 μm. Gambar 1b menunjukkan citra TEM bright-field (BF) dari NW individu yang biasanya, menunjukkan struktur tapering klasik. Searah arah aksialnya, komposisi NW menunjukkan perubahan bertahap yang moderate dan konsentrasi Sb rata-rata tinggi hingga 30% berdasarkan analisis EDS kuantitatif kami (detail tersedia dalam File Tambahan 1: Gambar S2). Gambar 1c menunjukkan citra HRTEM dari bagian tengah NW, mengonfirmasi keberadaan twin planes. Pola SAED (selected area electron diffraction) yang ditampilkan pada Gambar 1d juga memverifikasi struktur twinning, dan dua set diffraksi terstruktur ZB (zinc blende) dapat dibedakan. Elemen Sb dapat digunakan sebagai surfactant dan menekan fase WZ (wurtzite) NW InAs [31], mendukung perubahan fase struktur dari WZ ke ZB. Dalam kasus kami, rasio V/III sekitar 11, menghasilkan lingkungan V-rich, yang mendukung nucleation struktur ZB [32], tetapi meninggalkan beberapa twin planes. Penyelidikan tentang struktur twinning dalam NW InAsSb mengklaim bahwa perpindahan di batas akan menyebabkan distribusi Sb lokal yang tidak merata [12], mendukung scattering elektron atau trapping carrier [33].

Struktur perangkat diilustrasikan pada Gambar 2a, di mana film Au menutupi atas dan bawah array. Citra SEM perangkat ditampilkan dalam File Tambahan 1: Gambar S3, di mana panjang yang tersisa sekitar 3 µm dan hampir semua NW terintegrasi. Photoresist digunakan untuk mempertahankan orientasi NW dan mengintegrasikan NW ke dalam perangkat cured; dengan cara ini, perangkat lebih anti-oxidasi dan cocok untuk aplikasi. Struktur tapering digunakan dalam perangkat array NW silikon amorf, menunjukkan penyerapan yang ditingkatkan dan tidak sensitif terhadap sudut insiden [34]. Gambar 2b adalah peta sketsa dari antarmuka Au-InAsSb yang ditentukan oleh model MIGS. Gambar 2c, d mengonfirmasi konduktansi hampir konstan yang tidak bergantung pada suhu, dan nilai konduktansi sekitar 1 × 10^–7 Ω⁻¹. Kurva I–V pada 2 K dan 300 K tanpa cahaya insiden ditampilkan pada Gambar 2d. Nanowire individu memiliki nilai konduktansi yang jauh lebih besar seperti yang ditampilkan dalam File Tambahan 1: Gambar S4. Perangkat array setara dengan rangkaian paralel yang digabungkan oleh ribuan NW individu sehingga konduktansi teoritis seharusnya memiliki nilai yang jauh lebih besar. Selain itu, kita memiliki dua pengetahuan dasar tentang masalah terkait konduktansi: (1) konduktansi NW individu menunjukkan ketergantungan yang kuat pada suhu; (2) perangkat array yang terbuat dari NW InAs dalam studi kami juga memiliki konduktansi konstan. Oleh karena itu, kami menyimpulkan bahwa kontak antara logam dan semikonduktor dalam perangkat ini memiliki resistansi yang signifikan yang mendominasi karakteristik output keseluruhan.

Ketika Au bergabung dalam NW InAsSb melalui kontak end-bonded, transfer muatan terjadi pada antarmuka melalui tails dari gelombang fungsi elektron logam yang disebut continuum of MIGS [18]. Redistribusi muatan pada antarmuka terjadi sekali kontak terbentuk akan menyebabkan interface dipole berkembang juga [35]. Menurut model MIGS, tinggi barier antarmuka ditentukan oleh \({\Phi }_{\mathrm{Au}}\) (fungsi kerja logam), \({\Phi }_{\mathrm{NW}}\) (afinitas elektron NW InAsSb) dan \({\Delta }_{i}\) (penurunan tegangan karena interface dipole yang terjadi saat pembentukan antarmuka). The \({\delta }_{i}\) adalah jarak gap states yang diinduksi oleh logam. Keadaan elektron ditampilkan pada Gambar 2b. Interface dipole dapat menciptakan barier ekstra untuk elektron [36], namun efeknya dibatasi pada wilayah dari \({\delta }_{i}\). Di atas semua, properti intrinsik perangkat dimodulasi oleh resistansi kontak parasit yang besar [37]. Dalam perangkat kami, resistansi kontak besar secara efektif menekan arus gelap, sementara nilainya independen dari suhu. Dengan cara ini, konsentrasi carrier dapat dibatasi dalam rentang yang menguntungkan untuk deteksi cahaya. Namun, mekanisme resistansi kontak karena interface dipole yang konstan dengan berbagai suhu masih memerlukan penelitian yang lebih terperinci.

Pada Gambar 3a, kami menampilkan arus perangkat dari 2 hingga 120 K dengan dan tanpa illuminasi cahaya, dan sisanya ditampilkan dalam File Tambahan 1: Gambar S5. Keadaan LED diatur dengan waktu, di mana keadaan “ON” dan “OFF” bertahan selama 60 detik, masing-masing. Nilai arus spesifik LED yang ditampilkan pada keadaan “ON” adalah 10, 20, 50, 100, 200, 500, 1000, 2000 dan 3000 uA, masing-masing. Pengukuran dilakukan pada berbagai suhu dari 2 hingga 300 K. Inset pada Gambar 3a menunjukkan kondisi dengan tiga cahaya terlemah (sekitar 4–10 nW/cm²) illuminasi, menunjukkan kecenderungan yang sama dengan Gambar 3a. Namun, perilaku optik yang jelas berbeda dapat dinyatakan dengan cahaya terlemah, terutama untuk waktu respons yang lebih lambat dan fotokonduktansi yang sedikit persisten. Gambar 3b menunjukkan waktu respons perangkat pada 20 K, sementara arus LED adalah 2000 μA. Perlu diperhatikan bahwa, Gambar 3c diperoleh di lingkungan ambient pada suhu ruang. Yang lebih penting, sumber cahaya yang kami gunakan di sini semuanya LED, dan nilai intensitas cahaya adalah 4000 nW/cm² (260 nm), 558 nW/cm² (620 nm) dan 14 nW/cm² (945 nm), masing-masing. Selain fotoresponsivitas, dari waktu respons dengan berbagai panjang gelombang cahaya, kami dapat menyimpulkan bahwa NW InAsSb memiliki respons yang lebih baik terhadap cahaya inframerah.

Gambar 3a menunjukkan bahwa perangkat kami memiliki respons positif yang cepat dan jelas terhadap perubahan keadaan LED pada berbagai suhu, dan fotokonduktansi meningkat dengan arus LED. Tanpa illuminasi cahaya, konduktansi perangkat sekitar 1,04 × 10^–7 Ω^–1, yang sepakat dengan hasil uji output yang ditampilkan pada Gambar 2c. Pada suhu tetap, nilai ΔG (didefinisikan sebagai konduktansi dikurangi konduktansi gelap) meningkat hampir secara linier dengan arus LED yang mewakili intensitas cahaya. Ketika sumber cahaya diblokir, arus perangkat segera pulih ke keadaan awal. Nilai maksimum ΔG dalam plot ini adalah 3,2 × 10^–8 Ω^–1 pada 10 K. Harus diperhatikan bahwa dua jenis fotorespons dapat dibedakan dalam plot ini:

1. pada sebagian besar suhu, arus meningkat cepat sekali LED dinyalakan, dan arus stabil selama LED menyala;

2. pada 10 K dan 20 K, arus meningkat cepat dengan illuminasi cahaya juga. Namun, arus menurun sedikit dengan LED menyala, menghasilkan “tail” pada plot, yang tidak ditemukan pada suhu lain.

Untuk mengklarifikasi mekanisme intrinsik dalam dua jenis fotorespons yang berbeda, informasi waktu respons pada 20 K ketika arus LED adalah 2000 μA diekstrak sebagai bukti dan nilai spesifik ditampilkan pada Gambar 3b. Waktu respons [38, 39] (τ_ris mewakili jarak waktu dari puncak arus 90% hingga puncak arus 10%) ditetapkan sebagai 1,8 detik, sementara waktu pemulihan (τ_rec didefinisikan sebaliknya) adalah 2,4 detik, yang hampir konstan dalam seluruh rentang suhu. Untuk 10 K dan 20 K, waktu tunda struktur “tail” sekitar 15,7 detik, yang luar biasa tidak ada saat illuminasi arus LED kurang dari 500 μA. Digabungkan dengan kondisi cahaya lemah pada inset Gambar 3a, tiga jenis fotorespons pada 10 K dan 20 K dapat demonstrasi. Dengan cahaya terlemah (10–50 μA), arus meningkat lambat dengan waktu. Ketika arus LED meningkat ke 100–500 μA, respons menjadi cepat. Setelah arus melebihi 1000 μA, tail terbentuk. Dengan kata lain, hanya intensitas cahaya yang cukup yang dapat memicu struktur “tail” transient. Struktur “tail” serupa telah banyak dilaporkan dalam NW InAs [40, 41]. Sumber cahaya dalam laporan ini semuanya laser dengan intensitas cahaya tinggi, yang konsisten dengan hasil kami bahwa struktur “tail” hanya muncul dalam zona intensitas cahaya tinggi. Mereka klaim bahwa “tail” berasal dari efek lag yang sesuai dengan trapping dan de-trapping carrier pada keadaan permukaan [42]. Untuk NW InAsSb dalam kasus kami, keadaan permukaan lebih tidak terhindarkan karena efek surfactant yang parah yang digabungkan dengan Sb [43]. Oleh karena itu, kami mengantisipasi bahwa struktur “tail” berasal dari keadaan defek struktur twinning yang hanya menangkap elektron pada suhu tertentu dengan bantuan cahaya yang cukup kuat.

Untuk detektor cahaya tertentu, fotoresponsivitas dapat dinyatakan oleh [44]

R = I_p/PA (1)

di mana I_p adalah arus foto perangkat, P adalah daya cahaya pada perangkat, dan A mewakili area efektif perangkat. Untuk perangkat kami, area efektif perangkat adalah 1 mm² yang ditentukan oleh mask yang digunakan selama evaporasi elektroda, dan area penerima cahaya fotometer adalah 0,9 cm². Dalam keadaan ini, fotoresponsivitas perangkat dapat ditetapkan sebagai 4,25 mA/W (260 nm), 1,27 A/W (620 nm) dan 28,57 A/W (945 nm), masing-masing, yang lebih jauh mengonfirmasi potensi perangkat struktur sandwich NW InAsSb dalam deteksi inframerah.

Fotodetektivitas suatu perangkat dapat disajikan sebagai [14]

D* = R A^1/2/(2eI_dark)^1/2 (2)

di mana R adalah fotoresponsivitas perangkat dan e adalah muatan elektron. I_dark mewakili arus gelap perangkat, dan nilainya adalah 10,8 nA. Dengan arus gelap yang ditekan dalam struktur sandwich NW InAsSb, nilai D* detektor cahaya mencapai 7,28 × 10⁷ (260 nm), 2 × 10¹⁰ (620 nm) dan 4,81 × 10¹¹ cm·Hz^1/2 W⁻¹ (945 nm), masing-masing. Secara menarik, rasio duty NW dalam struktur array ini kurang dari 50%, yang membuat R dan D* aktual lebih besar dari hasil yang kami hitung. R dan D* yang tinggi tidak hanya disebabkan oleh efek penangkap cahaya dari perangkat array tetapi juga berasal dari struktur antarmuka [2]. Dibandingkan dengan detektor cahaya berbasis nanowire yang diringkas dalam Ref. [45], suhu operasi 300 K untuk perangkat kami memiliki potensi aplikasi yang superior dalam scenery dunia nyata [6]. Selain itu, dalam rentang suhu ruang, fotoresponsivitas perangkat array NW InAsSb yang mudah dibuat kami (28,57 A/W pada 945 nm) dapat melebihi sebagian besar perangkat berbasis NW yang rumit (WSe₂/Bi₂Te₃: 20 A/W pada 980 nm [46], PtSe₂/perovskite: 0,12 A/W pada 800 nm [47]). Meskipun interface dipole secara eksperimental tidak tercapai, karakteristik output pada Gambar 2 dapat memberikan bukti kokoh atas keberadaannya dalam perangkat kami. Seperti yang disarankan dalam diskusi sebelumnya, lapisan interfacial perangkat dapat berfungsi sebagai jaring dipole optik dengan illuminasi cahaya, yang dapat berkontribusi pada faktor peningkatan medan yang lebih besar. Efek ini disebut sebagai efek peningkatan interface dipole (IDEE) dalam studi sebelumnya [48]. IDEE bekerja untuk rentang panjang gelombang yang lebih luas dari efek peningkatan plasmon permukaan yang hanya ada dalam rentang panjang gelombang resonansi. Efek peningkatan di sekitar keadaan antarmuka dan efek penangkap cahaya dari perangkat array bekerja sama untuk deteksi cahaya lemah dalam perangkat kami.

Gambar 4 menunjukkan hubungan antara fotorespons perangkat NW InAsSb sebagai fungsi suhu (Gambar 4a) dan intensitas cahaya (Gambar 4b). Nilai I_p adalah nilai ekstrim arus foto yang dapat dicapai dengan cahaya menyala. Fotorespons dinormalisasi oleh intensitas cahaya yang tepat untuk melindungi pengaruhnya terhadap kecenderungan. Awalnya, kami dapat menyimpulkan kecenderungan yang sama dengan illuminasi intensitas cahaya yang berbeda. Dalam semua plot, konduktansi foto absolut meningkat dari 2 hingga 20 K lalu menurun hingga 80 K, menghasilkan puncak pertama sekitar 20 K dan puncak kedua sekitar 100–120 K. Rentang suhu puncak ini sepakat dengan rentang suhu spesifik di mana arus foto transient “tail” ada. Puncak lain sekitar 100–120 K, dan lokasi spesifiknya bergeser ke zona suhu yang lebih tinggi seiring bertambahnya intensitas cahaya.

Arus foto dapat dinyatakan oleh [28]

I_p = qgV_NW[τ μ_d/l] (3)

di mana q adalah muatan elemen, g adalah laju generasi photo-carrier, V_NW adalah volume NW, τ adalah lifetime minority carrier, dan μ_d adalah drift mobility dan l adalah panjang NW. Persamaan ini mengklarifikasi bahwa lifetime minority carrier dan drift mobility adalah dua parameter kunci untuk arus foto [43]. Proses optoelektronik perangkat array InAsSb ditampilkan pada Gambar 4c, d. Sebelum cahaya dimasukkan, transfer elektron antara Au dan NW InAsSb membentuk arus gelap. Gap states karena interface dipole cukup pendek untuk transfer carrier dengan momentum cukup. Dalam perangkat kami, keadaan antarmuka yang diinduksi oleh struktur twinning asli dan kekacauan yang diinduksi pembuatan keduanya dapat bertindak sebagai keadaan trapping. Saat cahaya menyala, elektron berlebihan dengan energi dan momentum yang cukup akan terperangkap pada keadaan antarmuka seperti yang ditampilkan dalam proses I dan III. Penurunan konsentrasi elektron membuat mobilitas di channel meningkat dan memperpanjang lifetime photo-generated electron. Di sisi lain, elektron yang terperangkap pada keadaan antarmuka scattering elektron di channel dan membuat mobilitas menurun. Elektron yang dilepaskan akan kembali ke conductance band melalui proses IV dan berpartisipasi dalam arus. Elektron dengan energi lebih rendah akan dimotivasi ke conductive band dan berpartisipasi dalam arus seperti yang ditampilkan dalam proses II. Setelah beberapa saat, elektron akan berekombinasi dengan lubang yang tersisa di valence band seperti yang ditampilkan dalam proses V. Kami dapat menyimpulkan dua jenis proses scattering dalam perangkat: pusat scattering elektron yang terperangkap dan scattering elektron–elektron di channel [49]. Lebih banyak elektron yang terperangkap pada keadaan antarmuka akan mengurangi mobilitas carrier dan konsentrasi carrier di channel. Selanjutnya, scattering elektron–elektron akan melemah dan bertindak untuk meningkatkan mobilitas pada gilirannya. Kesimpulannya, dua proses scattering ini akan bekerjasama pada arus dan mendapatkan ekstrim sekitar 10–20 K. Fitur menarik dari puncak ini adalah struktur “tail”, lokasi puncak yang stabil dan fotokonduktansi yang persisten dengan illuminasi cahaya ultra lemah. Dengan illuminasi cahaya ultra lemah, jumlah foton yang diinduksi tidak cukup untuk mencapai arus foto saturasi pada saat itu juga. Oleh karena itu, perangkat menunjukkan arus foto yang persisten hingga saturasi. Ketika intensitas cahaya meningkat, photo-carrier yang diangsangkan meningkatkan arus dan mencapai nilai ekstrim dalam waktu respons yang singkat. Namun, lebih rumit dengan intensitas cahaya yang lebih tinggi. Carrier berlebihan di atas keadaan saturasi menjadi terperangkap pada keadaan antarmuka. Ketika elektron yang terperangkap dilepaskan ke conductance band, konsentrasi meningkat lagi. Scattering elektron–elektron yang meningkat membuat arus menurun, yang disebut sebagai efek lag, dan menciptakan struktur “tail”.

Untuk puncak kedua sekitar 100–120 K, perpindahan puncak yang serupa telah dilaporkan dalam film Bi₂Te₃ [50]. Analisis kami menunjukkan keberadaan pusat rekombinasi dalam rentang suhu ini. Mekanisme intrinsik serupa dengan Bi₂Te₃, keduanya terkait dengan keseimbangan arus foto (I_p) dan arus gelap (I_d). Dalam kasus kami, I_d hampir konstan dalam seluruh rentang suhu pengukuran. I_p ditentukan oleh lifetime minority carrier dan drift mobility. Perlu diperhatikan bahwa kedua parameter ini dari NW InAsSb memiliki hubungan yang berlawanan terhadap suhu. Untuk lifetime minority carrier, dark carrier yang terangsang termal meningkat dengan suhu serta laju rekombinasi photo-generated carrier [51]. Akibatnya, lifetime minority carrier berbanding terbalik dengan suhu. Drift mobility berbanding lurus dengan suhu karena suhu tinggi memunculkan efek eksitasi termal dalam NW. Puncak muncul ketika I_p dan I_d mencapai keseimbangan pada suhu tertentu, yang sekitar 100–120 K. Dengan intensitas cahaya yang lebih tinggi, jumlah photo-generated carrier yang lebih besar akan membutuhkan lebih banyak dark carrier yang terangsang termal pada suhu yang lebih tinggi untuk mencapai keseimbangan. Oleh karena itu, puncak kedua bergeser ke suhu yang lebih tinggi saat intensitas cahaya meningkat. Gambar 4b menunjukkan fotokonduktivitas bergantung pada intensitas cahaya perangkat NW InAsSb, di mana nilai ΔG tidak dinormalisasi. Seperti yang dapat terlihat, intensitas cahaya LED meningkat secara linier dengan arus input (lihat File Tambahan 1: Gambar S6). Oleh karena itu, hasil ini mewakili hubungan antara fotorespons dan intensitas cahaya, yang menunjukkan potensi perangkat array NW InAsSb dalam meter daya optik.

Kesimpulan

Secara ringkasnya, detektor cahaya struktur sandwich berdasarkan array NW InAsSb telah mencapai performa optik yang luar biasa karena MIGS yang diinduksi oleh kontak end-bonded. Interface dipole dan gap states menekan arus gelap dan meningkatkan kemampuan deteksi perangkat. Kekacauan asli dan kekacauan yang diinduksi pembuatan dalam perangkat bertindak sebagai keadaan antarmuka untuk memodulasi properti optik. Bahkan dengan illuminasi cahaya ultra lemah (4–20 nW/cm²), perangkat menunjukkan fotorespons yang jelas pada suhu ruang. Respons terhadap LED dengan berbagai panjang gelombang menunjukkan bahwa perangkat array NW InAsSb memiliki respons terkuat terhadap cahaya inframerah (945 nm). Fotoresponsivitas dan fotodetektivitas adalah 40 A/W dan 7 × 10¹¹ cm Hz^1/2 W⁻¹, masing-masing. Hasil ini mengonfirmasi bahwa struktur sandwich dalam studi ini mendukung repeatabilitas dan keandalan perangkat NW, yang membuka jalan untuk pembuatan perangkat berbasis NW. Yang paling penting, perangkat dapat bekerja di lingkungan ambient pada suhu ruang, yang merupakan kemajuan besar untuk deteksi inframerah.