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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。相關成果9月23日發表在《自然?電子學》上。

（中國科大供圖）

半導體p-n結是眾多電子元器件的基本構成單元，基于此所構建的傳統固態光電探測器可將光信號捕獲并轉換為輸出電信號，被廣泛應用于成像、傳感、探測等領域。然而，該類器件受限于傳統p-n結的工作機理，大大限制了其在特殊應用場景，例如高分辨多色成像、生物光電檢測、便攜式小型光譜儀、多通道光通信和光邏輯運算等中的應用。

研究人員基于前期的工作積累，從GaN基半導體p-n異質結能帶結構設計，MBE外延工藝探索及納米線形貌調控出發，結合DFT第一性原理理論計算優化及半導體表面金屬鉑（Pt）納米顆粒定向修飾，成功構建了基于p-AlGaN/n-GaN異質p-n結的光譜可分辨型光電探測器。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。理論計算證實：通過在半導體p-AlGaN表面修飾貴金屬Pt納米顆粒可以有效改善氫吸附自由能，并提高光電化學光探測過程中的光生載流子分離效率。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結納米線中的光電流極性反轉現象。

這種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，還可以實現從深紫外到近紅外全光譜響應覆蓋，有望為便攜式光譜儀、液體環境如水下，生物體內的光電探測和傳感、高分辨率多通道光電傳感器/成像設備、光控邏輯電路等未來新學科交叉領域帶來新的應用突破。