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低維半導(dǎo)體材料中的光生載流子高效抽取現(xiàn)象 近期，中國科學(xué)院物理研究所E03組的博士生王文奇、吳海燕、楊浩軍以及王祿、馬紫光、江洋副研究員在陳弘研究員的指導(dǎo)下，與劉伍明研究員課題組合作，采用共振激發(fā)光致發(fā)光譜技術(shù)（即采用介于低維材料和其勢壘的禁帶寬帶的激光能量，只選擇性激發(fā)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(diǎn)等多個材料體系中均觀察到了在PN結(jié)作用下的載流子高效逃逸現(xiàn)象。 如圖1所示，在無PN結(jié)的NIN結(jié)構(gòu)中（非摻雜I區(qū)由10個周期的InAs/GaAs量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)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，只能通過輻射復(fù)合的方式發(fā)光。而在另一個測試樣品中，僅將NIN結(jié)構(gòu)中的一個N型摻雜區(qū)改變?yōu)镻型摻雜區(qū)，形成了含有PN結(jié)的PIN結(jié)構(gòu)。在同樣的共振激發(fā)光致發(fā)光譜測試實(shí)驗(yàn)中，在零偏壓短路情況下，實(shí)驗(yàn)觀察到超過85%的載流子不再參與發(fā)光。與此同時，電路中觀察到了明顯的光電流產(chǎn)生。通過在電路中串聯(lián)一可變電阻調(diào)整電路電流發(fā)現(xiàn)，電路中電流與量子點(diǎn)發(fā)光積分強(qiáng)度呈現(xiàn)線性反比關(guān)系，直接證實(shí)了量子點(diǎn)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(zhuǎn)換效率的計算，推算出該樣品中材料吸收系數(shù)存在數(shù)量級程度的增加。  圖1. (a) n-i-n結(jié)構(gòu)樣品在開路和0.7V反向偏壓條件下的共振激發(fā)光譜；(b) p-i-n結(jié)構(gòu)的樣品在開路和0V反向偏壓條件下的共振激發(fā)光譜；（c）量子點(diǎn)發(fā)光強(qiáng)度與電路電流的關(guān)系曲線 上述現(xiàn)象不能用經(jīng)典熱電子發(fā)射、和隧穿現(xiàn)象及中間能帶理論解釋。項(xiàng)目組提出了一個新的物理模型，如圖2所示：沒有pn結(jié)的低維材料吸收光以后弛豫到基態(tài)，不能在電場的作用下逃逸低維材料，而有pn結(jié)的低維材料吸收光以后直接逃逸低維材料而不弛豫到基態(tài)。  圖2.（a）傳統(tǒng)低維半導(dǎo)體光子吸收和載流子輸運(yùn)過程 （b）實(shí)驗(yàn)中觀察到的低維半導(dǎo)體光子吸收和載流子傳輸過程 |
