近日，中國科學技術大學微電子學院龍世兵教授、孫海定研究員團隊在氮化鎵（GaN）半導體 p-n 異質結中實現了獨特的光電流極性反轉（即雙向光電流現象）。

中國科大訊息顯示，過去兩年多來，團隊利用分子束外延（MBE）技術所製備的高晶體質量氮化鎵（GaN）奈米線，構建了應用於日盲紫外光探測領域的光電化學光探測器。更進一步，詳細討論了 GaN 基 p-n 結奈米線內部的電荷轉移動力學，並通過在半導體奈米線表面修飾貴金屬奈米顆粒，實現了電荷轉移動力學的可控調製及高效紫外光探測。

據悉，基於前期的工作積累，研究人員從 GaN 基半導體 p-n 異質結能帶結構設計，MBE 外延工藝探索及奈米線形貌調控出發，結合 DFT 第一性原理理論計算優化及半導體表面金屬鉑（Pt）奈米顆粒定向修飾，成功構建了基於 p-AlGaN/n-GaN 異質 p-n 結的光譜可分辨型光電探測器 [Nature Electronics 2021, 4, 645–652]。

在固定偏壓下，該器件在兩種不同波長光的照射下展現出獨特的光電流極性反轉現象：在 254nm 光照下光電流為負電流，而在 365nm 光照下光電流為正電流。具體來說，為實現光電流極性反轉，特殊設計的頂部 p-AlGaN 被用於與底部 n-GaN 共同吸收波長 254 nm 的光。在 254nm 光照射下，p-AlGaN 和 n-GaN 中同時產生電子-空穴對。其中，p-AlGaN 在電解質溶液中向下的表面能帶彎曲有利於其中的光生電子向奈米線表面漂移，驅動質子還原反應，而光生空穴則向 p-n 結中的空間電荷區域遷移，與 n-GaN 產生的光生電子隧穿複合。與此同時，n-GaN 中的光生空穴流經外電路，表現出負的光電流訊號。

而當奈米線暴露在 365nm 光下時，因 p-AlGaN 不吸收 365nm 光照，僅有 n-GaN 吸收 365nm 光照後產生光生電子-空穴對。而後，由 n-GaN 在電解質溶液中呈現的向上表面能帶彎曲作為驅動力，促使 n-GaN 中的光生空穴漂移到奈米線/溶液介面並進行水氧化反應。同時，在表面能帶彎曲和 p-n 結內建電場共同作用下，電子向外電路漂移，被記錄為正的光電流。更進一步，理論計算證實：通過在半導體 p-AlGaN 表面修飾貴金屬 Pt 奈米顆粒可以有效改善氫吸附自由能並提高光電化學光探測過程中的光生載流子分離效率。

據此，研究人員利用光化學還原法，成功在奈米線 p-AlGaN（000-1）晶面定向修飾 Pt 奈米顆粒。最終，在固定偏壓下，研究人員成功觀察到在不同波長光照下 GaN 基 pn 結奈米線中的光電流極性反轉現象。

據介紹，該新型器件架構不僅克服了傳統固態 p-n 結光電探測器的功能限制，通過改變半導體材料本身帶隙（如組分調控等手段），還可以實現從深紫外到近紅外全光譜響應覆蓋，有望為行動式光譜儀、液體環境（如水下，生物體內）光電探測和感測、高解析度多通道光電感測器/成像裝置、光控邏輯電路等未來新學科交叉領域帶來新的應用突破。