エンドボンデッドInAsSbナノワイヤアレイフォトディテクタによる低照度感度向上

概要

本研究では、弱光検出向けエンドボンデッドコンタクトInAsSbナノワイヤ（NW）アレイ検出器のシンプルな製造を実証します。検出器は、分子線エピタキシー（MBE）によりGaAs基板上に成長させたInAsSb NWアレイを用いて製造されます。エンドボンデッドコンタクトにより金属誘起ギャップ状態（MIGS）が誘導され、様々な温度でダーク電流が抑制されます。界面ギャップ状態による界面双極子の存在がローカルフィールド周辺の光励起を増強し、弱光に対する光応答度と光検出感度を向上させます。本報告の赤外光源光強度は14 nW/cm²で、レーザー光源より約3-4桁弱いです。検出器の応答度は室温で945 nm光照射下28.57 A/Wに達し、検出感度は4.81×10¹¹ cm·Hz¹/²·W⁻¹です。変温実験で異常な温度依存性能が出現し、デバイス光応答と温度の非線形関係の背後にある詳細機構を議論しました。さらに、検出器の光電特性から、NWの光トラッピング効果とフォトゲーティング効果が紫外から近赤外までの弱光光応答を増強することが明らかになりました。これらの結果は、冷却システムなしで赤外弱光検出に対するInAsSb NWアレイ検出器の実現可能性を強調しています。

はじめに

狭バンドギャップIII-V族半導体の重要な分野として、InAsSbはInAsから小さな電子有効質量と高い電子移動度などの利点を受け継いでいます。Sb元素をInAsに導入すると、バンドギャップボウイング効果により三元系InAsSbのカットオフ波長応答が長波長赤外領域まで拡張されます。したがって、InAsSbは赤外検出分野での理想的候補と見なされています。光電子分野では、一次元（1D）ナノ構造は巨大なアスペクト比により、多数のトラップ状態を持つ大きな表面積、光子吸収のための長いパス長、機械的に柔軟な構造など、際立った独自特性を持ちます。さらに、発展過程で1Dナノ構造は基板との格子ミスマッチを容易に緩和し、高い結晶品質を達成できます。したがって、1Dナノ構造ベースのフォトディテクタ、太陽電池などの光電子応用が莫大な研究関心を集めています。それらの中で、最適化光吸収とブロードバンド光収穫を達成するためのテーラードデバイス構造が提案され、1Dナノ構造を多様な応用シナリオに適合させ、シリコンベース集積回路との互換性あるコンポーネントを達成しています。最近、個別InAs NWベースフォトディテクタが赤外検出における可能性を実証。Sb添加により、三元系InAsSbは室温検出でブロードスペクトル範囲にアクセス可能になりました。Al₂O₃パッシベーションにより、InAsSb NWベース検出器はミッドウェーブ長赤外スペクトルへの非冷却検出を達成。しかし、これらの研究で広く適用されている従来光源は高強度レーザーであり、これらのデバイスの多くは室温で動作できません。また、NWベース従来デバイス構造は互換性ある集積回路への大量応用に不向きです。InAsSb NWベース従来検出器には主に3タイプあり、個別NWデバイス、InAs NWに埋め込まれた量子井戸、垂直個別NWデバイスです。これらはすべて電子ビームリソグラフィ（EBL）や反応性イオンエッチング（RIE）など高コストナノ製造プロセスを必要とします。したがって、NW応用のためのデバイス構造革新が喫緊です。

インターフェースは限定的サイズにもかかわらず、デバイスの光学的・電気的性能において常に重要な役割を果たすため、NWベースデバイスにおけるコンタクトエンジニアリングももう一つの重要因子です。例えば、グラフェン量子ドットとポリスチレンスルホネートの界面を利用したハイブリッド構造で、弱光に対する優れた全方向光検出特性を持つ太陽電池が達成されました。本研究では、電極と半導体の界面バンド構造を用いてデバイスの光電性能を制御します。金属-半導体界面で電荷再分配が起こり、金属と金属波動関数のテールが半導体へ侵入する間で電荷移動が生じます。この再分配はMIGSと呼ばれ、ギャップ状態と界面双極子を界面状態に誘導します。しかし、MIGSモデルのシミュレーション結果は実験との間に偏差があり、これは界面欠陥、製造誘起欠陥、フェルミレベルピンニングによるものと考えられています。特に豊富な表面状態を持つInAsSb NWではフェルミレベルピンニングは避けられず、誘導されたギャップ状態が電荷移動をフィルタリングします。これによりデバイスのダーク電流を許容範囲で抑制可能です。さらに、界面双極子はローカルフィールドでの光励起を増強し、これは弱光検出に不可欠です。Chuらの議論によれば、エンドボンデッド接合は平面ボンデッド接合よりも金属と半導体の状態オーバーラップを達成しやすいとされています。しかし、個別NWによるエンドボンデッドデバイスは製造上の障害に直面します。ここでは、NWアレイを用いてNWと金属間のエンドボンデッドコンタクトを達成する解決策を提案します。従来フォトディテクタと比較して、サンドイッチ構造NWアレイデバイスは製造容易性と高環境適応性の利点を持ちます。製造プロセス中にNW周りにスピンコート・焼成されるフィラー（AZ5214）により、デバイスはより安定し、環境に対する耐酸化性を持ちます。光がNWアレイに導入されると、異なる方向に複数回反射・屈折し、内部光吸収を促進します。NWアレイ内の延長光路は光トラッピング効果と呼ばれ、NWベースアレイデバイスで広く利用されています。バンド構造とデバイス構造の両方が、室温弱光検出へのデバイスポテンシャルを与えます。

本研究では、MBE（分子線エピタキシー）で成長させたInAsSb NWベースのNWアレイデバイスを製造しました。金属-半導体コンタクトにより誘導されるギャップ状態と界面双極子が、それぞれダーク電流抑制と光検出増強をもたらします。サンドイッチ構造NWアレイの光トラッピング効果が弱光検出に寄与。室温でのダーク電流抑制は検出ノイズを大幅に最小化し、室温検出を可能にします。硬化デバイス構造により環境雰囲気下での動作が可能。また、複雑な界面状態が予想されるため、デバイス光応答は温度とともに変動します。一定温度下では、光電流値が入射光強度にほぼ線形に増加し、光パワーメーターとしての可能性を示唆しています。

方法/実験

InAsSb NWをMBEシステム（Riber 32 R&D）とin situ Au蒸着システムを用いてGaAs {111}B基板上に成長させました。エピレディ基板を前処理して汚染除去。その後、540°Cで15分間GaAsバッファ層を堆積し、蒸着とアニーリングプロセスでAuナノ粒子を形成。In幹を380°C一定温度で20分間成長させ、その後Sb源を成長室に60分間導入。NW成長中、In BEP（ビーム相当圧力）を2.7×10⁻⁷ mbar、As BEPを2.2×10⁻⁶ mbar、Sb BEPを7×10⁻⁷ mbarに維持し、V/IIIフラックス比～11、Sb/As比～0.3を達成。

デバイス製造では、AZ5214（フォトレジスト）をプロッピング剤として用いてNW配向を維持。NWアレイと基板を3000 rpmで30秒スピンコートし、120°Cで2分焼成。ゲル化AZ5214は透明で、測定中の光損失を最小限に抑えます。NW先端を露出させるため、アレイ表面を精密シアーゲージ（Logitech）で研磨。NW成長中にVS（気相-固相）機構で基板表面に形成されたInAsSb層をドレイン電極として機能させます。InAsSbエピ層のホール測定（追加ファイル1：図S1）によると、室温キャリア濃度は約2×10¹⁷ cm⁻³、移動度は室温で約1.6×10⁴ cm²/(V·s)です。その後、公称厚さ8 nmのAu膜を選択領域に堆積、一方はアレイトップ、もう一方はエピ層上。堆積Auの薄さが電極光透過性と測定中の許容光損失を保証します。

得られたInAsSb NWの形態学的、化学的、構造的特性はSEM（FE-SEM、JEOL 7800F）とTEM（TEM、Philips Tecnai F20、組成分析用エネルギー分散分光（EDS）装備）で調査。TEM解析用個別NWは、NWサンプルをエタノール中で超音波処理し、カーボン膜支持Cuグリッド上に分散させて調製。

光伝導度測定は、光源としてLEDを備えたヘリウム閉循環クライオスタットで実施。本システム温度は2 Kから室温まで連続調整可能、LED光強度は入力電流で容易に調整可能。260 nm、620 nm、945 nmを含む様々な波長LEDを使用。LED光強度は温度と入力電流の両方に関連し、電流に比例して増加し、温度上昇で減少。本測定での室温光強度値は260 nmで4000 nW/cm²、620 nmで558 nW/cm²、945 nmで14 nW/cm²です。関連光強度情報は文献[30]を参照。ソース-ドレイン間に一定電圧V_DS=100 mVを印加。LEDのON/OFF切り替えで光伝導度応答を取得。

結果と考察

図1にInAsSb NWの電子顕微鏡調査を示します。図1aはチルトビューSEM像で、NW直径100-200 nm、長さ6-8 μm範囲を示唆。図1bは典型的個別NWの明視野（BF）TEM像で、古典的テーパー構造を示唆。軸方向に沿って組成は緩やかに変化し、定量的EDS解析（詳細：追加ファイル1：図S2）に基づき平均Sb濃度は最大30%です。図1cはNW中央部の高分解能TEM（HRTEM）像で、双晶面の存在を確認。図1dの選択領域電子回折（SAED）パターンもツイニング構造を検証し、2組のZB（亜鉛鉱型）構造回折が識別可能。Sb元素は界面活性剤として働きInAs NWのWZ（ウルツァイト）相を抑制し、WZからZBへの構造相転移を促進します。本ケースではV/III比～11でV豊富環境となり、ZB構造核生成を促進しますが、わずかな双晶面を残します。InAsSb NW双晶構造に関する調査では、境界での変位が不均一な局所Sb分布を引き起こし、電子散乱やキャリアトラッピングを促進すると報告されています。

デバイス構造を図2aに示します。Au膜がアレイトップとボトムを覆っています。デバイスSEM像は追加ファイル1：図S3に示し、残存長約3 µmでほぼすべてのNWが統合されています。フォトレジストでNW配向を保持しNWを硬化デバイスに統合することで、デバイスはより耐酸化性が高く、応用に適しています。テーパー構造はアモルファスシリコンNWアレイデバイスで使用され、吸収増強と入射角非依存性を実証しています。図2bはMIGSモデルで決定されたAu-InAsSb界面の概略図。図2c、dは温度にほぼ依存しない一定コンダクタンスを確認し、値は約1×10⁻⁷ Ω⁻¹。2 Kと300 Kでの無光照射I-V曲線を図2dに示します。個別ナノワイヤは追加ファイル1：図S4に示すようにはるかに大きなコンダクタンス値を持ちます。アレイデバイスは数千個別NWが並列接続された等価回路であるため、理論的コンダクタンスはもっと大きいはずです。さらに、コンダクタンス関連で2つの基本知識があります：(1) 個別NWコンダクタンスは温度に強く依存する；(2) 本研究のInAs NWアレイデバイスも一定コンダクタンスを示す。したがって、このデバイスの金属-半導体コンタクトが全体出力特性を支配する相当な抵抗を持つと結論付けられます。

AuがエンドボンデッドコンタクトでInAsSb NWに接合されると、金属電子波動関数のテールを介して界面で電荷移動が起こり、これはMIGSの連続体と呼ばれます。コンタクト形成時の界面電荷再分配により界面双極子も発生します。MIGSモデルによれば、界面バリア高さはΦ_Au（金属仕事関数）、Φ_NW（InAsSb NW電子親和力）、Δ_i（界面形成時の界面双極子による電圧降下）で決定されます。δ_iは金属により誘導されるギャップ状態の距離。電子状態は図2bに表示。界面双極子は電子に追加バリアを生成しますが、効果はδ_i領域に制約されます。以上より、デバイス固有特性は大きな寄生コンタクト抵抗によって変調されます。本デバイスでは大きなコンタクト抵抗がダーク電流を効果的に減少させ、その値は温度に依存しません。これによりキャリア濃度を光検出に有利な範囲に制限できます。しかし、界面双極子によるコンタクト抵抗機構が多様な温度で一定に保たれるメカニズムは更なる詳細研究が必要です。

図3aに2-120 Kでの光照射あり/なしデバイス電流を示し、残りは追加ファイル1：図S5に表示。LED状態は時間で調整され、「ON」と「OFF」状態がそれぞれ60秒維持されます。LED「ON」状態での具体的電流値は10、20、50、100、200、500、1000、2000、3000 μAです。測定は2-300 Kの異なる温度で実施。図3aインセットは3つの最弱光（約4-10 nW/cm²）照射条件を示し、図3aと類似傾向。しかし、最弱光では明確に異なる光学的振る舞い、特に応答速度低下とわずかな持続光伝導が述べられます。図3bはLED電流2000 μA時の20 Kでのデバイス応答時間。注目すべきは、図3cが室温環境下で取得されたことです。より重要なのは、ここで使用した光源はすべてLEDであり、光強度値はそれぞれ260 nmで4000 nW/cm²、620 nmで558 nW/cm²、945 nmで14 nW/cm²です。光応答度だけでなく、異なる光波長での応答速度から、InAsSb NWが赤外光により良く応答することが結論付けられます。

図3aから、デバイスは異なる温度下でLED状態変化に対し高速かつ明確な正応答を示し、光伝導度はLED電流とともに増加します。無光照射時、デバイスコンダクタンスは約1.04×10⁻⁷ Ω⁻¹で、図2c出力試験と一致。一定温度で、ΔG（コンダクタンスからダークコンダクタンスを減じた値）はLED電流（光強度を表す）にほぼ線形に増加。光源遮断時、デバイス電流は即座に元状態に回復。このプロットでのΔG最大値は10 Kで3.2×10⁻⁸ Ω⁻¹。このプロットで2種類の光応答が区別できます：

1. ほとんどの温度で、LEDオン時に電流が急増し、LEDオン中安定；

2. 10 Kと20 Kでは、光照射で電流が急増するが、LEDオン中にわずかな減少があり、プロットにテールを残す。これは他温度では見られない。

2種類の光応答の本質的機構を明確にするため、LED電流2000 μA時の20 K応答速度情報を証拠として抽出し、具体値を図3bに示します。応答時間（τ_ris：90%電流ピークから10%電流ピークまでの時間ギャップ）は1.8 s、回復時間（τ_rec：逆定義）は2.4 sで、全温度範囲でほぼ一定。10 Kと20 Kでは「テール」構造の遅延時間は約15.7 sで、LED電流500 μA未満では驚くほど欠如。図3aインセットの弱光条件と合わせ、10 Kと20 Kでの3種類の光応答を実証：最弱光（10-50 μA）で電流が時間とともに緩やかに増加。LED電流100-500 μA増加で応答が高速化。1000 μA超でテール形成。つまり、十分な光強度のみが過渡的「テール」構造を引き起こす可能性があります。類似「テール」構造はInAs NWで広く報告されていますが、それらの光源はすべて高光強度レーザーであり、高強度光領域でのみ「テール」構造が出現するという本結果と整合。それらは「テール」が表面状態でのキャリアトラッピングとデトラッピングに対応するラグ効果に起因すると主張。本ケースのInAsSb NWでは、Sbによる強力な界面活性剤効果により表面状態がより不可避です。したがって、「テール」構造は特定温度で十分強い光支援下でのみ双晶構造欠陥状態が電子をトラップすることに起因すると予想されます。

与えられたフォトディテクタの光応答度は式(1)で表現できます：

$$\mathrm{R}=\frac{{I}_{\mathrm{p}}}{PA}$$ (1)

ここで、I_pはデバイス光電流、Pはデバイス上光パワー、Aはデバイス有効面積。本デバイスでは、電極蒸着時マスクで決定される有効面積は1 mm²、光パワーメータ受光面積は0.9 cm²。この条件下で、デバイス光応答度はそれぞれ260 nmで4.25 mA/W、620 nmで1.27 A/W、945 nmで28.57 A/Wと決定され、InAsSb NWサンドイッチ構造デバイスの赤外検出ポテンシャルをさらに確認。

デバイス光検出感度は式(2)で表現できます：

$${D}^{*}=R{A}^\frac{1}{2}/{(2e{I}_{\mathrm{dark}})}^\frac{1}{2}$$ (2)

ここで、Rはデバイス光応答度、eは電子電荷。I_darkはデバイスダーク電流で値は10.8 nA。InAsSb NWサンドイッチ構造でのダーク電流抑制により、フォトディテクタのD*値はそれぞれ260 nmで7.28×10⁷、620 nmで2×10¹⁰、945 nmで4.81×10¹¹ cm·Hz¹/²·W⁻¹に達します。特筆すべきは、このアレイ構造でのNW占有率が50%未満であり、実際のRとD*は計算結果より大きくなります。高RとD*はアレイデバイスの光トラッピング効果だけでなく界面構造にも起因します。文献[45]まとめのナノワイヤベースフォトディテクタと比較して、本デバイスの300 K動作温度は実世界シナリオで優れた応用ポテンシャルを持ちます。さらに室温域では、本容易製造InAsSb NWアレイデバイス光応答度（945 nmで28.57 A/W）はほとんどの複雑NWベースデバイス（WSe₂/Bi₂Te₃：980 nmで20 A/W、PtSe₂/ペロブスカイト：800 nmで0.12 A/W）を上回ります。界面双極子は実験的に到達不能ですが、図2出力特性が本デバイスでの存在を確固たる証拠として提供。先行議論で示唆されたように、デバイス界面層は光照射下で光学双極子格子として機能し、より大きなフィールド増強因子に寄与可能。この効果は先行研究で界面双極子増強効果（IDEE）と呼ばれます。IDEEは表面プラズモン増強効果（共振波長範囲内のみ存在）より広い波長範囲で機能します。界面状態周辺の増強効果とアレイデバイスの光トラッピング効果が協働し、本デバイスの弱光検出を実現しています。

図4にInAsSb NWデバイス光応答の温度依存性（図4a）と光強度依存性（図4b）の関係を示します。I_p値は光オン時の光電流極値。光応答は正確な光強度で正規化し、傾向への影響を遮蔽。まず、異なる光強度照射で類似傾向と結論付けられます。すべてのプロットで、絶対光伝導度は2-20 Kで増加、その後80 Kまで減少、最初のピークが約20 K、2番目のピークが約100-120 Kに出現。このピーク温度範囲は過渡光電流「テール」存在の特定温度範囲と一致。もう一つのピークは約100-120 Kで、光強度増加とともに高温側へシフト。

光電流は式(3)で表現できます：

$${I}_{p}=qg{V}_{\mathrm{NW}}[\tau {\mu }_{d}/l]$$ (3)

ここで、qは素電荷、gは光キャリア生成率、V_NWはNW体積、τは少数キャリア寿命、μ_dはドリフト移動度、lはNW長。この式は少数キャリア寿命とドリフト移動度が光電流の2つの鍵パラメータであることを明確にします。InAsSbアレイデバイスの光電プロセスを図4c、dに示します。光導入前、AuとInAsSb NW間の電子移動がダーク電流形成。界面双極子によるギャップ状態は、十分な運動量を持つキャリア移動に十分短いです。本デバイスでは、本来の双晶構造と製造誘起欠陥による界面状態が両方ともトラッピング状態として機能可能。光オン時、十分エネルギーと運動量を持つ過剰電子がプロセスIとIIIで示すように界面状態にトラップされます。電子濃度減少によりチャネル移動度が増加し、光生成電子寿命が延長。一方、界面状態トラップ電子がチャネル電子を散乱させ移動度低下。放出電子はプロセスIVで伝導帯に戻り電流に参加。より低エネルギー電子がプロセスIIで伝導帯に励起され電流参加。その後、電子はプロセスVで価電子帯残留正孔と再結合。本デバイスでは2種類散乱プロセス：トラップ電子散乱中心とチャネル内電子-電子散乱。界面状態トラップ電子増加はチャネルキャリア移動度と濃度減少。その後、電子-電子散乱弱まり移動度増加に作用。結論として、これら2散乱プロセスが電流に協働し、10-20 K付近で極値形成。このピーク顕著特徴は「テール」構造、安定ピーク位置、超弱光照射下の持続光伝導。超弱光照射では誘導光子量が飽和光電流に即座に達するのに不十分。したがってデバイスは飽和まで持続光電流示す。光強度増加時、光励起キャリアが電流促進し短応答時間で極値到達。しかし高光強度ではより複雑。飽和状態超過キャリアが界面状態にトラップ。トラップ電子が伝導帯に放出されると濃度再増加。増加電子-電子散乱が電流減少させ、ラグ効果と呼ばれ「テール」構造生成。

100-120 K付近の第2ピークについて、Bi₂Te₃薄膜で類似ピークシフト報告あり。分析ではこの温度範囲に再結合中心存在示唆。本質的機構はBi₂Te₃と類似、両方とも光電流（I_p）とダーク電流（I_d）バランス関連。本ケースではI_dは全測定温度範囲でほぼ一定。I_pは少数キャリア寿命とドリフト移動度で決定。注目すべきは、InAsSb NWのこれら2パラメータが温度に関して逆依存関係にあること。少数キャリア寿命では、熱励起ダークキャリアが温度とともに増加し、光生成キャリア再結合率も増加。したがって少数キャリア寿命は温度に反比例。ドリフト移動度は温度に比例、高温がNW熱励起効果生起。I_pとI_dが特定温度でバランス達成時ピーク出現、約100-120 K。より高光強度ではより多く光生成キャリアがより高温熱励起キャリア必要としバランス要求。したがって光強度増加で第2ピーク高温側シフト。図4bはInAsSb NWデバイス光強度依存光伝導度を示し、ΔG値は非正規化。LED光強度が入力電流に厳密に線形増加することがわかります（追加ファイル1：図S6参照）。したがってこの結果は光応答と光強度の関係を表し、InAsSb NWアレイデバイスの光パワーメーターとしての可能性を実証。

結論

要約すると、InAsSb NWアレイベースサンドイッチ構造フォトディテクタが、エンドボンデッドコンタクトにより誘導されるMIGSにより優れた光学性能を達成しました。界面双極子とギャップ状態がダーク電流抑制とデバイス検出能力増強を別々にもたらします。デバイス内の本来欠陥と製造誘起欠陥が界面状態として振る舞い光学特性を変調。超弱光（4-20 nW/cm²）照射下でも室温で明確な光応答示す。異なる波長LED応答から、InAsSb NWアレイデバイスが赤外光（945 nm）に最強応答すること示唆。光応答度と光検出感度はそれぞれ40 A/Wと7×10¹¹ cm Hz¹/² W⁻¹。これら結果は本研究サンドイッチ構造がNWデバイス再現性と信頼性を支持し、NWベースデバイス製造への道を開くことを確認。最も重要なのは、デバイスが室温環境雰囲気下で動作可能であり、赤外検出における大きなブレークスルーであることです。

データと材料の入手可能性

すべてのデータは制限なく完全に利用可能。本研究で使用・分析されたデータセットは、合理的要請に基づき責任著者から入手可能。

略語

MBE:

分子線エピタキシー

1D:

一次元

NW:

ナノワイヤ

BEP:

ビーム相当圧力

VS:

気相-固相

VLS:

気相-液相-固相

EBL:

電子ビームリソグラフィ

RIE:

反応性イオンエッチング

WZ:

ウルツァイト

ZB:

亜鉛鉱型

BFTEM:

明視野透過型電子顕微鏡

HRTEM:

高分解能透過型電子顕微鏡

SAED:

選択領域電子回折

EDS:

エネルギー分散分光

MIGS:

金属誘起ギャップ状態

IDEE:

界面双極子増強効果

LED:

発光ダイオード