西安交大Adv. Funct. Mater.：異型和同型異質結光電二極管中的壓電光電子學效應

【引言】

近年來，壓電光電子學效應廣泛被用于各類半導體光電器件的性能調制，包括：太陽能電池、發光二極管、光電二極管和光探測器等。然而，關于壓電光電子學效應在不同器件結構和材料體系的半導體光電器件中的調制作用機制研究還鮮見報道。更重要的是，壓電光電子學效應不僅會產生使器件性能增強的作用，還可能會產生使器件性能削弱的作用，極大地限制了壓電光電子學效應能夠達到的器件性能增強的最大幅度。

【成果簡介】

近日，在西安交通大學電子與信息工程學院微電子學院賀永寧教授和彭文博博士講師的指導下，潘子健和李芳沛等研究成員以異型和同型異質結光電二極管為研究對象，通過對比壓電光電子學效應在兩種異質結光電二極管器件中的性能調制作用，系統地研究了不同器件結構對壓電光電子學效應的影響。研究結果表明，壓電光電子學效應能使p-n異型異質結光電二極管器件的性能增強約150%，而僅能使n-n同型異質結光電二極管器件的性能增強約55%。通過系統地分析壓電電荷對兩種器件能帶結構的調制作用，發現：壓電光電子學效應在p-n異型異質結光電二極管器件中引入了兩種增強器件性能的正效應，而其在n-n同型異質結光電二極管器件中不僅引入了一種增強器件性能的正效應，還引入了兩種削弱器件性能的負效應，因此壓電光電子學效應對前者的性能增強作用更顯著。此外，有限元仿真結果表明壓電光電子學效應對p-p同型異質結光電二極管器件性能的調制作用與其對n-n同型異質結光電二極管器件性能的調制作用類似。相關研究成果以“Piezo-Phototronic Effect on Performance Enhancement of Anisotype and Isotype Heterojunction Photodiodes”發表在Advanced Functional Materials上（DOI：10.1002/adfm.201706897）。

【圖文導讀】

圖1、p-n異型和n-n同型異質結光電二極管器件結構和基本特性表征

(a)和(b)、p-n異型和n-n同型異質結光電二極管的器件結構和SEM照片

(c)、p-n異型和n-n同型異質結光電二極管的I-V特性曲線

(d)和(e)、p-n異型和n-n同型異質結光電二極管的能帶結構

(f)和(g)、p-n異型和n-n同型異質結光電二極管在不同光照強度下的I-V特性曲線

圖2、應變對p-n異型和n-n同型異質結光電二極管I-V特性的影響

(a)和(b)、不同應變作用下p-n異型和n-n同型異質結光電二極管的暗場I-V特性曲線

(c)和(d)、不同應變作用下p-n異型和n-n同型異質結光電二極管的光場I-V特性曲線

圖3、壓電光電子學效應對p-n異型和n-n同型異質結光電二極管器件瞬態特性的影響

(a)和(b)、不同應變作用下p-n異型和n-n同型異質結光電二極管的光場I-t特性曲線

(c)和(d)、不同光強條件下p-n異型和n-n同型異質結光電二極管的光場電流隨應變的變化曲線

(e)、p-n異型異質結光電二極管的響應時間計算

(f)、p-n異型和n-n同型異質結光電二極管的響應時間隨應變的變化曲線

圖4、壓電光電子學效應對p-n異型和n-n同型異質結光電二極管器件光響應度的影響

(a)和(b)、不同光強條件下p-n異型和n-n同型異質結光電二極管的光響應度隨應變的變化曲線

(c)和(d)、不同光強條件下p-n異型和n-n同型異質結光電二極管的光響應度相對變化量隨應變的變化曲線

圖5、壓電光電子學效應在p-n異型和n-n同型異質結光電二極管器件中的工作機制

(a)、壓電光電子學效應對p-n異型異質結光電二極管器件能帶結構的影響

(b)、壓電光電子學效應對n-n同型異質結光電二極管器件能帶結構的影響

【小結】

研究團隊通過改變器件結構，系統地研究了壓電光電子學效應在不同半導體器件結構中的調制作用，從實驗和理論上說明了壓電光電子學效應不僅能引入增強器件性能的正效應，同時也會引入削弱器件性能的負效應。這項研究成果不僅表明了器件結構對壓電光電子學效應的調制作用有著非常重要的影響，也提出了一個非常關鍵的問題：如何通過優化器件結構使得壓電光電子學效應能夠在引入盡可能多的正效應的同時，盡量避免負效應的引入，實現壓電光電子學效應調制作用的最優化？

【文獻鏈接】

Piezo-Phototronic Effect on Performance Enhancement of Anisotype and Isotype Heterojunction Photodiodes (Advanced Functional Materials, 2018, DOI: 10.1002/adfm.201706897)

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.201706897

【課題組簡介】

賀永寧，西安交通大學電子與信息工程學院微電子學院教授，博士研究生導師。主要從事納米電子器件和微波無源器件等研究工作，致力于推進前沿探索研究和產學研合作。近20年來在納米結構及其先進傳感器方向聚焦氧化鋅半導體納米陣列、薄膜以及單晶器件的紫外探測和核輻射探測問題，長期探索實現了基于高阻ZnO的高性能紫外探測器件和納秒脈沖X射線探測器件，在該方面承擔了科技部重點專項子任務、多項國家自然基金項目等。開拓性地提出將微電子學領域先進微納結構的制造方法應用于微波大功率無源器件的表面處理，將微波器件微放電閾值提高6dB之上；同期提出并探索微波無源器件射頻電連接極弱非線性接觸特性的建模研究，在國際上率先發表了微波無源器件因電接觸導致的無源互調近似顯性解析方程。在該方面曾承擔并完成國防973項目3個專題及相關航天合作重點基金項目等。近年來帶領課題組師生在Advanced Materials、IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques、Applied Physics Letters、Journal of Applied Physics、Physics of Plasma、物理學報等國內外著名學術期刊上發表論文60余篇，申請國家發明專利8項。

賀永寧教授個人主頁：http://gr.xjtu.edu.cn/web/yongning

彭文博，西安交通大學電子與信息工程學院微電子學院講師，碩士研究生導師。已發表SCI論文30余篇，主要從事基于低維壓電半導體材料的新型半導體光電器件、壓電電子學與壓電光電子學、摩擦電子學、摩擦納米發電機、聲表面波器件與傳感器等研究工作。

彭文博講師個人主頁：http://gr.xjtu.edu.cn/web/wpeng33

本文由彭文博講師供稿。

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