光电化学型紫外探测器（PEC UV PDs）由于其光响应高、制造工艺简单、成本低廉、自供能以及响应速度快等优点，在恶劣的环境中具有很大的应用前景。其探测性能与光生载流子分离效率、有效光吸收、表面动力学及载流子的输运和分离密切相关。近期，我院低维化合物半导体器件研究组汪金副教授、智婷副教授、薛俊俊副教授分别着手于载流子表面动力学和光生载流子分离效率两个方面研究，发表了2篇相关的AlGaN基PEC UV PDs的研究论文。
首先，该研究组和中国科学技术大学孙海定教授团队合作，通过Rh-Cr2O3复合催化剂修饰AlGaN纳米线（NWs），促进了载流子的输运和有效分离，其中Cr2O3层的加入不仅优化了界面载流子动力学和表面化学反应，而且可以抑制Rh纳米颗粒上的不利的副反应，从而进一步提高器件的探测性能。在PEC型日盲紫外探测器中实现了86.7%外量子效率和178.3 mA/W的高响应度。相关成果以 “Achieving Record High External Quantum Efficiency >86.7% in Solar-Blind Photoelectrochemical Photodetection” 为题发表在期刊Advanced Functional Materials, 2022, 32 (28): 2201604. (DOI: 10.1002/adfm.202201604)。汪金副教授、薛俊俊副教授和孙海定教授为共同通讯作者。
Rh/AlGaN和Rh-Cr2O3 /AlGaN纳米线表面载流子产生和迁移示意图
此外，该研究组和南京大学陈敦军教授、张荣教授团队合作，通过设计不同的n-GaN厚度的p-AlGaN/n-GaNNWs基PEC UV PDs，揭示了GaN链接层对光生载流子的输运有很强的调控作用。当异质结NWs被365 nm光照时，GaN只是作为光吸收体，而在255 nm光照下，GaN主要作为电子供给层，消耗AlGaN中产生的光生空穴，抑制了AlGaN NWs内部的载流子复合。与纯AlGaN NWs相比，p-AlGaN/n-GaN基PEC UV PD在不同波长的光激发下发生了光电流极性反转现象，实现了双光谱紫外探测。此外，结合Pt金属纳米颗粒修饰，在255 nm光照下实现了20 ms的超快响应速度，验证了表面改性可以促进载流子的快速输运。相关成果以 “Structural designs of AlGaN/GaN nanowire-based photoelectrochemical photodetectors: carrier transport regulation in GaN segment as current flow hub” 为题发表在高水平光学新刊Advanced Photonics Nexus, 2023, 2(3): 036003. (DOI: 10.1117/1.APN.2.3.036003)。我院研究生王赛赛，智婷副教授以及南京大学博士生邵鹏飞为共同第一作者，汪金副教授、薛俊俊副教授和南京大学陈敦军教授为共同通讯作者，南京邮电大学为论文第一单位。
p-AlGaN/n-GaN基PEC UV PD在不同光照下的工作机制
这项研究工作通过光吸收体结构和表面动力学的精确控制，验证了AlGaN基纳米线来构建多功能PEC UV PDs的可行性，为进一步探索高性能光电器件提供了多策略协同优化的设计方案。
上述两项研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、江苏省优秀青年基金、江苏省青年基金等项目资助。
(撰稿：王赛赛 初审：薛俊俊 编辑：徐伟 审核：程勇)
