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

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展已經徹底改變了我們的生活方式，并成為現代社會的材料重要組成部分。然而，缺陷盡管光電子學領域取得了巨大進步，也可有益缺陷問題仍然被認為是材料限制器件性能提升的主要挑戰之一。在過去的缺陷研究中，大多數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？這是一個值得深入思考的科學問題，也涉及到我們對光電器件設計的也可有益重新認識。

【內容簡介】

基于以上思考，材料比利時根特大學的缺陷Yu-Hao Deng（鄧玉豪）在《Advanced Sensor Research》期刊上發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機理，他提出了一種大膽的材料觀點：即缺陷可能成為提升光電器件性能的關鍵因素之一。通過充分利用缺陷所蘊含的積極潛能，他們成功實現了光電探測器創紀錄的增益和靈敏度。

【圖文導讀】

首先，作者探討了缺陷對光電器件性能的負面影響。如圖1A所示，半導體內部的電子態缺陷會困擾電子或空穴，并導致它們與相反極性的載流子相互湮滅，進而影響器件性能。同時，圖1B和圖1C揭示了缺陷可能對載流子傳輸和半導體材料的結構穩定性造成的損害，這些都是光電器件設計中需要克服的挑戰。

圖1. 缺陷對半導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。光電導增益（G）作為光電器件的關鍵參數，是放大光子信號的能力的體現。作者指出，通過有效捕獲和利用缺陷引起的載流子，可以實現光電導增益的提升。具體而言，他們利用表面缺陷捕獲光生載流子，并在器件中實現了“循環增益機制”，從而顯著增強了光電探測器的性能。圖2B展示了這種機制的示意圖，當光子能量高于半導體帶隙時，會產生電子空穴對，電子被困在半導體/金屬界面上，其壽命遠遠長于自由空穴的傳輸時間。未配對的空穴被輸運且收集到陰極，導致收集到的空穴數量遠遠超過最初光生載流子的數量。這種增益機制也被稱為“循環增益機制”。

圖2.鈣鈦礦薄膜中的表面缺陷和捕獲機制。

接著，作者通過巧妙設計器件結構，進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間，他們成功地增大了光電導增益。此外，他們還優化了半導體材料的質量，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體，他們制備的光電探測器實現了創紀錄的性能表現。由此制備的光電探測器實現了創紀錄的光電導增益，達到了5000萬，并且增益帶寬積達到70 GHz。如圖3所示，該器件的光電導增益和增益帶寬積分別比當時所有報道的基于光電導機制的鈣鈦礦光電探測器高出5000倍和兩個數量級。此外，該器件還具備超高靈敏度，其檢測極限創紀錄地下降至200個光子，較當時報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紀錄性能。

【結論與展望】

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計思路。通過充分理解和利用缺陷的積極影響，我們有望在未來設計出更加高效、靈敏度更高的光電器件。這一新的視角為光電器件領域的發展帶來了新的思路和機遇，也將為我們理解光電子學的本質提供更深入的洞察。

【作者介紹】

Yu-Hao Deng (鄧玉豪)博士，比利時根特大學BOF博士后研究員，主要研究方向為膠體量子點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》等國際期刊上發表文章數篇。

【文獻信息】

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