清华大学电子工程系盛兴课题组：基于多结砷化镓光电器件的光子回收效应研究

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       近日，清华大学电子工程系盛兴课题组深入探索了光电器件中的光子回收效应与机制，借助于巧妙的多结电池设计结构，在基于III-V材料的光电器件研究中取得了一系列进展。

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寻求高转换效率的太阳能电池（solar cells）、高探测性能的光电探测器（photodetector）和高转换效率的发光二极管（LED）的设计方法，是半导体光电领域不懈追求的目标，对推动新能源和信息领域的发展和应用具有十分重要的意义。借助于半导体材料本身的光子回收效应，即材料辐射复合所产生的光子重新被半导体材料吸收，并产生光生载流子的现象，可以有效地提高光电器件的光电流、开路电压和相应的光电转换效率。

图1 （a）GaAs双结光电二极管的示意图；（b）在475 nm光照下GaAs双结光电二极管内部的光学过程（吸收和光子再循环）示意图。

为了深入理解光子回收这一现象的本质，盛兴课题组借助微型薄膜双结砷化镓光电二极管器件（double junction GaAs photodiode ), 研究其在不同波长和强度激发光下的光子和载流子传输行为。实验测试表明，光子回收效应与激发光波长和功率等参数密切相关，在蓝紫色光（400~480 nm）和近红外光（~800 nm）照射下，双结电池产生的光电流与激发光功率分别呈现超线性和线性的特性。为了深入理解上述实验现象，课题组首先通过光致发光（photoluminescence）的方法测量双结GaAs光电二极管器件在不同激发光波长和功率下载流子的动态寿命，并在此基础上建立了载流子速率方程和描述其复合行为的ABC模型。通过分析双结电池的几何结构和光学性质，进一步计算了双结器件内部光子的发射概率与吸收概率，最终确定了不同激发条件下的双结电池发光耦合效率（luminescence coupling efficiency）和产生的光电流。同时，在高强度激发光照射下，光子回收效应可以显著改善子电池间的电流匹配情况，实现宽波段、高效率的光电响应（波长400~800 nm，外部量子效率接近50%）。

图2 （a）在810 nm和475 nm的激发光下， GaAs双结器件电流密度的模拟计算和测试结果；（b）不同辐射效率下，光子回收效应对双结器件的波长响应效率（外量子效率）的影响。

理论模型与实验测试的结果吻合得较好，表明光子回收效应影响着多结电池结构的光子分布和子电池之间的电流匹配，在光电子器件设计中起着至关重要的作用，这也为高性能光电探测器和太阳能电池的设计提供了指导依据。

相关成果以Power- and Spectral-Dependent Photon-Recycling Effects in a Double-Junction Gallium Arsenide Photodiode为题发表在ACS Photonics [6(1): 59-65, 2019]上。清华大学电子工程系盛兴副教授为本文的通讯作者，北京理工大学光电学院丁贺助理教授为第一作者，合作者包括清华大学电子工程系本科生成大立、博士生史钊和北京大学物理学院刘开辉研究员、博士生洪浩等。本工作获得了国家自然科学基金、北京信息科学与技术国家研究中心和清华大学未来芯片技术高精尖创新中心的经费支持。

论文链接：

10.1021/acsphotonics.8b01404

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