上海交大但亚平课题组：光霍尔效应揭示纳米线光电导的增益原理| ACS Nano论文推荐

论文采用光霍尔效应在单根硅纳米线上进行了精细测量，直接观察到纳米线内光生多子数量远远大于少子数量，虽然光生多子与少子是成对产生的。

编辑 谭坤

过去60多年，人们已经在各类半导体光电导器件（薄膜、纳米线和近期热门的二维单原子层晶体）上观察到了巨大的量子效率增益，从几千倍到上亿倍！因此，光电导器件引起了人们极大的研究兴趣，但人们对于这一高增益的原理一直停留在通过现象猜测机理的层面上。这类似于一个黑匣子：给定输入、测量输出，然后猜测黑匣子中的电路结构。有时候电路结构过于复杂，以至于猜测出来的电路结构并不唯一，光电导器件的增益原理属于这种情况。因此，光电导器件的巨大光增益究竟是什么样的原理，众说风云。究竟孰是孰非，除非打开“黑匣子”看个究竟，否则就没有定论。

器件结构示意图和关键测量结果

上海交大但亚平课题组此次发表的论文就是利用光照条件下的霍尔效应，测量了纳米线中光生载流子的动态过程，打开了纳米线光电导器件这个“黑匣子”，直接观察到纳米线导电沟道中的光生多数载流子（空穴）远远多于光生少数载流子（电子）。正是由于光生空穴数量远远大于光生电子数量，才导致了人们常观察到的现象：即纳米线光电导器件拥有巨大的光增益。但是熟悉半导体物理的人都知道：光生载流子是成对产生的，即光生空穴和电子数量上总是一样多的。为什么霍尔效应中测量到纳米线沟道中的光生空穴数量远远多于光生电子的数量呢？这主要是因为纳米线器件的表面态俘获了大量光生电子，导致等量的光生空穴在纳米线导电沟道内积累；而霍尔效应只能测量纳米线沟道中的载流子数量，不能测量已经被表面态俘获而不参与导电的光生电子数量。表面态俘获光生电子必定会导致纳米线表面有耗尽区，光照条件下的霍尔效应测量也观测到了这一现象。

该论文研究揭示了低维光电导器件的光增益原理，并能指导人们设计出高性能的低维光探测器。研究获得了自然科学基金面上项目（61376001）和上海科委重大研究计划（16JC1400405）的支持。

通讯作者简介：

但亚平现任上海交通大学特别研究员，密西根学院副教授、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，同年入选中组部“青年千人计划”。但教授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。

但亚平研究员

相关论文信息

标题 Dynamics of Charge Carriers in Silicon Nanowire Photoconductors Revealed by Photo Hall Effect Measurements

作者 Kaixiang Chen, Xiaolong Zhao, Abdelmadjid Mesli, Yongning He, and Yaping Dan

期刊 ACS Nano 

期刊介绍：ACS Nano 是化学和材料科学领域的顶级期刊之一，在国际上拥有广泛的影响力，其收录的文章主要分布在纳米科学与技术领域，对研究的原创性、结构的新颖性等有着极为严格的要求，最新影响因子为13.942。

DOI: 10.1021/acsnano.8b00004

发表日期  (Web): March 19, 2018

摘要 Photoconductors have extraordinarily high gain in quantum efficiency. But the origin of the gain remains in dispute for decades. In this work, we employ photo Hall effect to reveal the gain mechanisms by probing the dynamics of photogenerated charge carriers in silicon nanowire photoconductors. The results reveal that a large number of photogenerated minority electrons are partly accumulated in the surface depletion region and dominantly captured by surface trap states. The same number of excess hole counterparts is left in the nanowire conduction channel, resulting in the fact that excess holes outnumber the excess electrons in the nanowire conduction channel by orders of magnitude. The accumulation of the excess holes broadens the conduction channel by narrowing down the depletion region, which leads to the experimentally observed high photo gain.

论文链接 https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.8b00004

阅读更多

▽ 故事

▽ 论文推荐

▽ 论文导读

内容合作请联系

[e-mail]