与非网 5 月 25 日讯,中国科学院上海微系统与信息技术研究所信息功能材料国家重点实验室近期在Ⅳ族 GeSn 纳米线生长制备及其光电探测应用中取得进展,相关工作以 Ferroelectric Enhanced Performance of a GeSn/Ge Dual-Nanowire Photodetector 为题发表在 Nano Letters 期刊上。

 

据悉,Ⅲ-Ⅴ族材料普遍具有优良的光电特性,但却面临着与 Si 基 CMOS 工艺不兼容等问题,因此有必要发掘Ⅳ族材料的光电应用潜力。此前已有基于 GeSn 薄膜结构的光电探测等工作的相关报道,但是 GeSn 薄膜与 Ge 缓冲层之间较大的晶格失配严重影响了 GeSn 薄膜晶体质量,从而导致其相应的光电探测器暗电流较大,不利于实现低功耗应用需求。

 

上海微系统所研究人员利用分子束外延技术,成功制备出大面积、高密度且高长宽比的 Ge 纳米线,并利用其作为模板,通过二次沉积法获得了 Sn 组分可达~10%的 GeSn/Ge 双层纳米线结构。由于纳米线具有柔性且极高的比表面积,能够通过弹性形变的方式自主弛豫释放 GeSn/Ge 之间晶格失配引入的应力,从而有效抑制 GeSn/Ge 界面处的缺陷形成。

 

由于 GeSn 具有较窄的禁带宽度,因此基于 GeSn/Ge 双层纳米线的光电探测器件比 Ge 纳米线光电探测器具有更长的探测波长,延伸到 2 μm 以上。为了抑制窄禁带宽度 GeSn 引起的暗电流增加,研究人员进一步引入具有铁电性的 P(VDF-TrFE)离子胶作为栅介质,通过侧栅调控大幅降低了 GeSn/Ge 双层纳米线光电探测器的暗电流与静态功耗,从而实现了兼具长波长与低暗电流的光电探测,对于拓展Ⅳ族材料纳米线结构在光电探测领域的研究与应用具有重要参考意义。

 

该论文由中科院上海微系统所信息功能材料国家重点实验室与中科院上海技术物理研究所合作完成。其中上海微系统所直博生杨悦昆为第一作者,上海微系统所研究员狄增峰和上海技物所研究员王建禄为共同通讯作者,上海微系统所为第一完成单位。该工作得到国家科技重大专项、中科院前沿科学重点研究项目、国家自然科学基金杰出青年基金、上海市科学技术委员会、中科院战略性先导科技专项等的支持。

 

GeSn/Ge 双层纳米线的分子束外延生长与形貌表征  图源:中国科学院  下同

 

基于 GeSn/Ge 双层纳米线光电探测器件及性能表征