物理所低維半導體材料中的光生載流子高效抽取現象研究取得進展

2020-12-07 中國科學院

　　半導體材料中的光電轉換過程是光電探測器和太陽能器件的基礎，也一直是半導體材料和物理領域的研究熱點。傳統半導體物理理論認為：在低維材料中，光生載流子在形成後會弛豫到基態，由於受到量子限制，光生載流子難於逃離限制勢壘形成有效的光電流。因此，將低維半導體材料應用於光伏和探測器領域一直難以成功。

　　近期，中國科學院物理研究所E03組的王文奇、吳海燕、楊浩軍以及王祿、馬紫光、江洋在研究員陳弘的指導下，與劉伍明課題組合作，採用共振激發光致發光譜技術（即採用介於低維材料和其勢壘的禁帶寬帶的雷射能量，只選擇性激發低維材料中的電子和空穴，而不在勢壘中形成光生載流子），在InGaN量子阱、InGaAs量子阱、InAs量子點等多個材料體系中均觀察到了在PN結作用下的載流子高效逃逸現象。

　　如圖1所示，在無PN結的NIN結構中（非摻雜I區由10個周期的InAs/GaAs量子點結構組成），即使存在較高的外加偏壓載流子仍不能逃逸限制勢壘，只能通過輻射複合的方式發光。而在另一個測試樣品中，僅將NIN結構中的一個N型摻雜區改變為P型摻雜區，形成了含有PN結的PIN結構。在同樣的共振激發光致發光譜測試實驗中，在零偏壓短路情況下，實驗觀察到超過85%的載流子不再參與發光。與此同時，電路中觀察到了明顯的光電流產生。通過在電路中串聯一可變電阻調整電路電流發現，電路中電流與量子點發光積分強度呈現線性反比關係，直接證實了量子點中形成的光生載流子形成了光電流。此外，通過對樣品光電轉換效率的計算，推算出該樣品中材料吸收係數存在數量級程度的增加。

　　上述現象不能用經典熱電子發射和隧穿現象及中間能帶理論解釋。項目組提出了一個新的物理模型，如圖2所示：沒有pn結的低維材料吸收光以後弛豫到基態，不能在電場的作用下逃逸低維材料，而有pn結的低維材料吸收光以後直接逃逸低維材料而不弛豫到基態。

　　低維半導體材料中光生載流子的高效抽取及其導致的材料吸收係數增加現象，使得基於低維半導體材料帶間躍遷的光電轉換器件製備成為可能。為驗證這一現象的實用效果，項目組還製備了InGaAs/GaAs多量子阱紅外探測器原型器件。在無表面抗反射膜的條件下，該器件利用僅100nm的吸收層厚度，實現了34%的外量子效率。利用該數值計算得到器件中有源層的吸收係數達到3.7×104 cm-1，明顯高於傳統透射光譜實驗中的實測數值（紅外與毫米波學報，in press）。

　　上述發現不僅為低維半導體材料應用於光伏領域提供了理論基礎，還為高溫工作紅外探測器的研製提供了一條新的技術路線。

　　GaAs基InAs量子點和InGaAs量子阱體系中該現象的報導，發表於近期出版的《中國物理B》（Chin. Phys. B Vol. 25, No. 9, 2016 097307）和《中國物理快報》（CHIN. PHYS. LETT. Vol. 33, No. 10, 2016, 106801）上，GaN基InGaN量子阱中的實驗現象將發表於近期出版的《中國物理B》（Chin. Phys. B, in press）。基於該工作，項目組已經申請了中國發明專利一項，並提交了日本和美國的發明專利各一項。

    圖1. (a) n-i-n結構樣品在開路和0.7V反向偏壓條件下的共振激發光譜；(b) p-i-n結構的樣品在開路和0V反向偏壓條件下的共振激發光譜；（c）量子點發光強度與電路電流的關係曲線

    圖2.（a）傳統低維半導體光子吸收和載流子輸運過程 （b）實驗中觀察到的低維半導體光子吸收和載流子傳輸過程

　　半導體材料中的光電轉換過程是光電探測器和太陽能器件的基礎，也一直是半導體材料和物理領域的研究熱點。傳統半導體物理理論認為：在低維材料中，光生載流子在形成後會弛豫到基態，由於受到量子限制，光生載流子難於逃離限制勢壘形成有效的光電流。因此，將低維半導體材料應用於光伏和探測器領域一直難以成功。
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　　低維半導體材料中光生載流子的高效抽取及其導致的材料吸收係數增加現象，使得基於低維半導體材料帶間躍遷的光電轉換器件製備成為可能。為驗證這一現象的實用效果，項目組還製備了InGaAs/GaAs多量子阱紅外探測器原型器件。在無表面抗反射膜的條件下，該器件利用僅100nm的吸收層厚度，實現了34%的外量子效率。利用該數值計算得到器件中有源層的吸收係數達到3.7×104 cm-1，明顯高於傳統透射光譜實驗中的實測數值（紅外與毫米波學報，in press）。
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    圖1. (a) n-i-n結構樣品在開路和0.7V反向偏壓條件下的共振激發光譜；(b) p-i-n結構的樣品在開路和0V反向偏壓條件下的共振激發光譜；（c）量子點發光強度與電路電流的關係曲線

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