密院教師科研發現將顛覆經典光電導增益理論

近日，上海交通大學密西根學院但亞平教授課題組在納米科學領域全球頂級學術期刊《ACS Nano》（雜誌的影響因子為13.903）上發表題為《Explicit Gain Equations for Single Crystalline Photoconductors》（單晶光電導器件顯性增益公式）的最新研究成果。 論文揭示光電導器件的巨大光增益來自器件導電溝道的寬度調製效應，並進一步推導出具有一般通用性的顯性光電導增益公式。該公式可定量預測並完美擬合實驗數據，研究成果將顛覆經典光電導增益理論。但亞平為論文的通訊作者，博士研究生何佳晶和博士畢業生陳愷翔為論文的共同第一作者，博士研究生王曉明和西安交通大學賀永寧教授及學生黃楚林參與了研究工作。

光電導器件實際上就是一個半導體電阻，末端有兩個金屬電極，是最簡單的半導體器件。但如此簡單的半導體器件，卻有巨大的光電導增益，有時候達到驚人的1億倍，即半導體吸收一個光子，產生了1億個光生電子或空穴。

1956年R. L. Petritz推導出一個理論公式來解釋這種高增益現象（已載入中外通用半導體物理課本）。該理論認為這種巨大的增益與光生電子（少子）複合壽命成正比，與載流子渡越時間成反比。因此任何半導體只要少子複合壽命足夠長、渡越時間足夠短，均可產生巨大增益。但少子複合壽命通常難以精確測量，特別是對於低維半導體而言，而人們在實驗中通常測量的是增益與光照強度等宏觀變量的依賴關係，因此經典理論是隱性函數，一般不能與實驗數據直接擬合。不過，1984年日本科學家Matsuo等人還是設法測量了GaAs薄膜中少子複合壽命，結果發現理論預測與實驗測量至少偏差3至4個數量級(Jpn. J. Appl. Phys. 23, 1984, L299-L301)。後來也陸續有人質疑該理論，但一直缺乏有力的證據，因此該理論雖然可疑，目前仍然廣泛為人們所接受。

但亞平及團隊2018年在《ACS Photonics》和《ACS Nano》上發表論文，指出了經典光電導增益理論存在兩處假定錯誤：一是假設半導體沒有邊界，二是假設半導體完全理想，沒有缺陷。在純物理層面，這兩個假定均成立，但真實的器件總有邊界和缺陷。

此次發表的論文是在此前指出兩處假定錯誤的基礎上，做了近一步的後續研究。論文中指出通過光生霍爾效應測量，發現光電導器件的巨大增益主要來源於多子在導電溝道內積累，具體表現為表面耗盡區收窄和導電溝道展寬，光生多子的實際濃度增加可以忽略不計。因此，高增益光電導器件可以採用一個溝道寬度受兩側肖特基調製的電阻模擬。公式可定量預測並完美擬合實驗數據。從而可以直接計算光電導器件的增益，進而可以根據公式指導器件設計。這一顯性材料公式也是一種材料研究手段，通過與實驗數據擬合，可以提取出半導體材料中通常難以測量的物理參數，例如少子壽命、表面複合速率等。

研究的意義和價值

·         顛覆了經典光電導器件工作原理。透過顯性增益公式人們可以清楚看到光電導增益究竟來自哪裡，以及經典理論荒謬之處；

·         可以指導光電導器件性能設計，擴展探測器的帶寬。依據顯性增益公式人們可以通過調節器件的物理參數，設計任意增益的光電導器件；

·         顯性增益公式也是一種材料研究手段。通過與實驗數據擬合可以提取通常難以測量的物理參數，例如少子壽命、表面複合速率等。

參考論文：

Explicit Gain Equations for Single Crystalline Photoconductors

Jiajing He, Kaixiang Chen, Chulin Huang, Xiaoming Wang, Yongning He, Yaping Dan*

ACS Nano 18 (2020) accepted.

https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acsnano.9b09406

背景介紹

但亞平現任上海交通大學特別研究員（教授），密西根學院長聘教軌副教授、博士生導師。 1999年本科畢業於西安交通大學，2002年碩士畢業於清華大學，2008年博士畢業於美國賓夕法尼亞大學。博士畢業後，在哈佛大學從事博士後研究，2012年加入上海交通大學密西根學院。但亞平的研究工作主要集中在全矽基光電子和單原子電子學，為未來先進集成電路和量子計算機技術提供關鍵解決方案。