第一作者：Yu-Hao Deng (鄧玉豪)

通訊作者：Yu-Hao Deng (鄧玉豪)

通訊單位：根特大學(xué)

論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adsr.202300144

【研究背景】

近年來，缺陷光電器件的也可有益快速發(fā)展已經(jīng)徹底改變了我們的生活方式，并成為現(xiàn)代社會的材料重要組成部分。然而，缺陷盡管光電子學(xué)領(lǐng)域取得了巨大進(jìn)步，也可有益缺陷問題仍然被認(rèn)為是材料限制器件性能提升的主要挑戰(zhàn)之一。在過去的缺陷研究中，大多數(shù)工作都致力于抑制材料中的也可有益缺陷，但是材料否可以從另一個(gè)角度重新審視缺陷，并探索其對光電器件性能的缺陷積極影響呢？這是一個(gè)值得深入思考的科學(xué)問題，也涉及到我們對光電器件設(shè)計(jì)的也可有益重新認(rèn)識。

【內(nèi)容簡介】

基于以上思考，材料比利時(shí)根特大學(xué)的缺陷Yu-Hao Deng（鄧玉豪）在《Advanced Sensor Research》期刊上發(fā)表了一篇引人注目的研究論文。通過深入理解和分析光電器件以及缺陷的也可有益本質(zhì)機(jī)理，他提出了一種大膽的材料觀點(diǎn)：即缺陷可能成為提升光電器件性能的關(guān)鍵因素之一。通過充分利用缺陷所蘊(yùn)含的積極潛能，他們成功實(shí)現(xiàn)了光電探測器創(chuàng)紀(jì)錄的增益和靈敏度。

【圖文導(dǎo)讀】

首先，作者探討了缺陷對光電器件性能的負(fù)面影響。如圖1A所示，半導(dǎo)體內(nèi)部的電子態(tài)缺陷會困擾電子或空穴，并導(dǎo)致它們與相反極性的載流子相互湮滅，進(jìn)而影響器件性能。同時(shí)，圖1B和圖1C揭示了缺陷可能對載流子傳輸和半導(dǎo)體材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性造成的損害，這些都是光電器件設(shè)計(jì)中需要克服的挑戰(zhàn)。

圖1. 缺陷對半導(dǎo)體光電器件有害的影響。

然而，作者提出了一種全新的視角：在光電探測器中，缺陷也可能帶來積極的影響。光電導(dǎo)增益（G）作為光電器件的關(guān)鍵參數(shù)，是放大光子信號的能力的體現(xiàn)。作者指出，通過有效捕獲和利用缺陷引起的載流子，可以實(shí)現(xiàn)光電導(dǎo)增益的提升。具體而言，他們利用表面缺陷捕獲光生載流子，并在器件中實(shí)現(xiàn)了“循環(huán)增益機(jī)制”，從而顯著增強(qiáng)了光電探測器的性能。圖2B展示了這種機(jī)制的示意圖，當(dāng)光子能量高于半導(dǎo)體帶隙時(shí)，會產(chǎn)生電子空穴對，電子被困在半導(dǎo)體/金屬界面上，其壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)長于自由空穴的傳輸時(shí)間。未配對的空穴被輸運(yùn)且收集到陰極，導(dǎo)致收集到的空穴數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過最初光生載流子的數(shù)量。這種增益機(jī)制也被稱為“循環(huán)增益機(jī)制”。

圖2.鈣鈦礦薄膜中的表面缺陷和捕獲機(jī)制。

接著，作者通過巧妙設(shè)計(jì)器件結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提升了光電探測器的性能。通過延長載流子壽命和減小載流子傳輸時(shí)間，他們成功地增大了光電導(dǎo)增益。此外，他們還優(yōu)化了半導(dǎo)體材料的質(zhì)量，確保了光的充分吸收，從而提高了外部量子效率。值得一提的是，通過精心純化鈣鈦礦前驅(qū)體，他們制備的光電探測器實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)紀(jì)錄的性能表現(xiàn)。由此制備的光電探測器實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)紀(jì)錄的光電導(dǎo)增益，達(dá)到了5000萬，并且增益帶寬積達(dá)到70 GHz。如圖3所示，該器件的光電導(dǎo)增益和增益帶寬積分別比當(dāng)時(shí)所有報(bào)道的基于光電導(dǎo)機(jī)制的鈣鈦礦光電探測器高出5000倍和兩個(gè)數(shù)量級。此外，該器件還具備超高靈敏度，其檢測極限創(chuàng)紀(jì)錄地下降至200個(gè)光子，較當(dāng)時(shí)報(bào)道的鈣鈦礦光電探測器低50倍。

圖3.鈣鈦礦光電探測器的創(chuàng)紀(jì)錄性能。

【結(jié)論與展望】

該研究的突破在于重新審視了缺陷在光電器件中的作用，提出了一種全新的設(shè)計(jì)思路。通過充分理解和利用缺陷的積極影響，我們有望在未來設(shè)計(jì)出更加高效、靈敏度更高的光電器件。這一新的視角為光電器件領(lǐng)域的發(fā)展帶來了新的思路和機(jī)遇，也將為我們理解光電子學(xué)的本質(zhì)提供更深入的洞察。

【作者介紹】

Yu-Hao Deng (鄧玉豪)博士，比利時(shí)根特大學(xué)BOF博士后研究員，主要研究方向?yàn)槟z體量子點(diǎn)材料與光電器件以及鈣鈦礦材料表征與光電器件。鄧博士之前已在《Nature》，《Advanced Materials》，《Nano Letters》，《Physical Review Letters》，《Advanced Science》等國際期刊上發(fā)表文章數(shù)篇。

【文獻(xiàn)信息】

Deng, Y.-H. (2024), Identifying and Understanding the Positive Impact of Defects for Optoelectronic Devices. Adv. Sensor Res. 2300144. https://doi.org/10.1002/adsr.202300144