成果 | 密院教师科研发现将颠覆经典光电导增益理论

近日，上海交通大学密西根学院但亚平教授课题组在纳米科学领域全球顶级学术期刊《ACS Nano》（杂志的影响因子为13.903）上发表题为《Explicit Gain Equations for Single Crystalline Photoconductors》（单晶光电导器件显性增益公式）的最新研究成果。论文揭示光电导器件的巨大光增益来自器件导电沟道的宽度调制效应，并进一步推导出具有一般通用性的显性光电导增益公式。该公式可定量预测并完美拟合实验数据，研究成果将颠覆经典光电导增益理论。但亚平为论文的通讯作者，博士研究生何佳晶和博士毕业生陈恺翔为论文的共同第一作者，博士研究生王晓明和西安交通大学贺永宁教授及学生黄楚林参与了研究工作。

光电导器件实际上就是一个半导体电阻，末端有两个金属电极，是最简单的半导体器件。但如此简单的半导体器件，却有巨大的光电导增益，有时候达到惊人的1亿倍，即半导体吸收一个光子，产生了1亿个光生电子或空穴。

1956年R. L. Petritz推导出一个理论公式来解释这种高增益现象（已载入中外通用半导体物理课本）。该理论认为这种巨大的增益与光生电子（少子）复合寿命成正比，与载流子渡越时间成反比。因此任何半导体只要少子复合寿命足够长、渡越时间足够短，均可产生巨大增益。但少子复合寿命通常难以精确测量，特别是对于低维半导体而言，而人们在实验中通常测量的是增益与光照强度等宏观变量的依赖关系，因此经典理论是隐性函数，一般不能与实验数据直接拟合。不过，1984年日本科学家Matsuo等人还是设法测量了GaAs薄膜中少子复合寿命，结果发现理论预测与实验测量至少偏差3至4个数量级（Jpn. J. Appl. Phys. 23, 1984, L299-L301）。后来也陆续有人质疑该理论，但一直缺乏有力的证据，因此该理论虽然可疑，目前仍然广泛为人们所接受。

但亚平及团队2018年在《ACS Photonics》和《ACS Nano》上发表论文，指出了经典光电导增益理论存在两处假定错误：一是假设半导体没有边界，二是假设半导体完全理想，没有缺陷。在纯物理层面，这两个假定均成立，但真实的器件总有边界和缺陷。

此次发表的论文是在此前指出两处假定错误的基础上，做了近一步的后续研究。论文中指出通过光生霍尔效应测量，发现光电导器件的巨大增益主要来源于多子在导电沟道内积累，具体表现为表面耗尽区收窄和导电沟道展宽，光生多子的实际浓度增加可以忽略不计。因此，高增益光电导器件可以采用一个沟道宽度受两侧肖特基调制的电阻模拟。公式可定量预测并完美拟合实验数据。从而可以直接计算光电导器件的增益，进而可以根据公式指导器件设计。这一显性材料公式也是一种材料研究手段，通过与实验数据拟合，可以提取出半导体材料中通常难以测量的物理参数，例如少子寿命、表面复合速率等。

研究的意义和价值

• 颠覆了经典光电导器件工作原理。透过显性增益公式人们可以清楚看到光电导增益究竟来自哪里，以及经典理论荒谬之处；

• 可以指导光电导器件性能设计，扩展探测器的带宽。依据显性增益公式人们可以通过调节器件的物理参数，设计任意增益的光电导器件；

• 显性增益公式也是一种材料研究手段。通过与实验数据拟合可以提取通常难以测量的物理参数，例如少子寿命、表面复合速率等。

参考论文：

Explicit Gain Equations for Single Crystalline Photoconductors

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

ACS Nano 18 (2020) accepted.

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背景介绍

但亚平现任上海交通大学特别研究员（教授），密西根学院长聘教轨副教授、博士生导师。1999年本科毕业于西安交通大学，2002年硕士毕业于清华大学，2008年博士毕业于美国宾夕法尼亚大学。博士毕业后，在哈佛大学从事博士后研究，2012年加入上海交通大学密西根学院。但亚平的研究工作主要集中在全硅基光电子和单原子电子学，为未来先进集成电路和量子计算机技术提供关键解决方案。

密院对外交流与宣传办公室综合整理

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