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低维半导体材料中的光生载流子高效抽取现象

2016-10-27 09:44
瑾年Invader
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  半导体材料中的光电转换过程是光电探测器和太阳能器件的基础,也一直是半导体材料和物理领域的研究热点。传统半导体物理理论认为:在低维材料中,光生载流子在形成后会弛豫到基态,由于受到量子限制,光生载流子难于逃离限制势垒形成有效的光电流。因此,将低维半导体材料应用于光伏和探测器领域一直难以成功。

  近期,中国科学院物理研究所E03组的博士生王文奇、吴海燕、杨浩军以及王禄、马紫光、江洋副研究员在陈弘研究员的指导下,与刘伍明研究员课题组合作,采用共振激发光致发光谱技术(即采用介于低维材料和其势垒的禁带宽带的激光能量,只选择性激发低维材料中的电子和空穴,而不在势垒中形成光生载流子),在InGaN量子阱,InGaAs量子阱,InAs量子点等多个材料体系中均观察到了在PN结作用下的载流子高效逃逸现象。

  如图1所示,在无PN结的NIN结构中(非掺杂I区由10个周期的InAs/GaAs量子点结构组成),即使存在较高的外加偏压载流子仍不能逃逸限制势垒,只能通过辐射复合的方式发光。而在另一个测试样品中,仅将NIN结构中的一个N型掺杂区改变为P型掺杂区,形成了含有PN结的PIN结构。在同样的共振激发光致发光谱测试实验中,在零偏压短路情况下,实验观察到超过85%的载流子不再参与发光。与此同时,电路中观察到了明显的光电流产生。通过在电路中串联一可变电阻调整电路电流发现,电路中电流与量子点发光积分强度呈现线性反比关系,直接证实了量子点中形成的光生载流子形成了光电流。此外,通过对样品光电转换效率的计算,推算出该样品中材料吸收系数存在数量级程度的增加。

  图1. (a) n-i-n结构样品在开路和0.7V反向偏压条件下的共振激发光谱;(b) p-i-n结构的样品在开路和0V反向偏压条件下的共振激发光谱;(c)量子点发光强度与电路电流的关系曲线

  上述现象不能用经典热电子发射、和隧穿现象及中间能带理论解释。项目组提出了一个新的物理模型,如图2所示:没有pn结的低维材料吸收光以后弛豫到基态,不能在电场的作用下逃逸低维材料,而有pn结的低维材料吸收光以后直接逃逸低维材料而不弛豫到基态。

  图2.(a)传统低维半导体光子吸收和载流子输运过程 (b)实验中观察到的低维半导体光子吸收和载流子传输过程

  低维半导体材料中光生载流子的高效抽取及其导致的材料吸收系数增加现象,使得基于低维半导体材料带间跃迁的光电转换器件制备成为可能。为验证这一现象的实用效果,项目组还制备了InGaAs/GaAs多量子阱红外探测器原型器件。在无表面抗反射膜的条件下,该器件利用仅100nm的吸收层厚度,实现了34%的外量子效率。利用该数值计算得到器件中有源层的吸收系数达到3.7×104 cm-1,明显高于传统透射光谱实验中的实测数值。(红外与毫米波学报,in press)

  上述发现不仅为低维半导体材料应用于光伏领域提供了理论基础,还为高温工作红外探测器的研制提供了一条新的技术路线。

  GaAs基InAs量子点和InGaAs量子阱体系中该现象的报道,发表于近期出版的中国物理B(Chin. Phys. B Vol. 25, No. 9, 2016 097307)和中国物理快报(CHIN. PHYS. LETT. Vol. 33, No. 10, 2016, 106801)上,GaN基InGaN量子阱中的实验现象将发表于近期出版的中国物理B(Chin. Phys. B, in press)。基于该工作,项目组已经申请了中国发明专利一项,并提交了日本和美国的发明专利各一项。

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