西安交大Adv. Funct. Mater.：异型和同型异质结光电二极管中的压电光电子学效应

【引言】

近年来，压电光电子学效应广泛被用于各类半导体光电器件的性能调制，包括：太阳能电池、发光二极管、光电二极管和光探测器等。然而，关于压电光电子学效应在不同器件结构和材料体系的半导体光电器件中的调制作用机制研究还鲜见报道。更重要的是，压电光电子学效应不仅会产生使器件性能增强的作用，还可能会产生使器件性能削弱的作用，极大地限制了压电光电子学效应能够达到的器件性能增强的最大幅度。

【成果简介】

近日，在西安交通大学电子与信息工程学院微电子学院贺永宁教授和彭文博博士讲师的指导下，潘子健和李芳沛等研究成员以异型和同型异质结光电二极管为研究对象，通过对比压电光电子学效应在两种异质结光电二极管器件中的性能调制作用，系统地研究了不同器件结构对压电光电子学效应的影响。研究结果表明，压电光电子学效应能使p-n异型异质结光电二极管器件的性能增强约150%，而仅能使n-n同型异质结光电二极管器件的性能增强约55%。通过系统地分析压电电荷对两种器件能带结构的调制作用，发现：压电光电子学效应在p-n异型异质结光电二极管器件中引入了两种增强器件性能的正效应，而其在n-n同型异质结光电二极管器件中不仅引入了一种增强器件性能的正效应，还引入了两种削弱器件性能的负效应，因此压电光电子学效应对前者的性能增强作用更显著。此外，有限元仿真结果表明压电光电子学效应对p-p同型异质结光电二极管器件性能的调制作用与其对n-n同型异质结光电二极管器件性能的调制作用类似。相关研究成果以“Piezo-Phototronic Effect on Performance Enhancement of Anisotype and Isotype Heterojunction Photodiodes”发表在Advanced Functional Materials上（DOI：10.1002/adfm.201706897）。

【图文导读】

图1、p-n异型和n-n同型异质结光电二极管器件结构和基本特性表征

(a)和(b)、p-n异型和n-n同型异质结光电二极管的器件结构和SEM照片

(c)、p-n异型和n-n同型异质结光电二极管的I-V特性曲线

(d)和(e)、p-n异型和n-n同型异质结光电二极管的能带结构

(f)和(g)、p-n异型和n-n同型异质结光电二极管在不同光照强度下的I-V特性曲线

图2、应变对p-n异型和n-n同型异质结光电二极管I-V特性的影响

(a)和(b)、不同应变作用下p-n异型和n-n同型异质结光电二极管的暗场I-V特性曲线

(c)和(d)、不同应变作用下p-n异型和n-n同型异质结光电二极管的光场I-V特性曲线

图3、压电光电子学效应对p-n异型和n-n同型异质结光电二极管器件瞬态特性的影响

(a)和(b)、不同应变作用下p-n异型和n-n同型异质结光电二极管的光场I-t特性曲线

(c)和(d)、不同光强条件下p-n异型和n-n同型异质结光电二极管的光场电流随应变的变化曲线

(e)、p-n异型异质结光电二极管的响应时间计算

(f)、p-n异型和n-n同型异质结光电二极管的响应时间随应变的变化曲线

图4、压电光电子学效应对p-n异型和n-n同型异质结光电二极管器件光响应度的影响

(a)和(b)、不同光强条件下p-n异型和n-n同型异质结光电二极管的光响应度随应变的变化曲线

(c)和(d)、不同光强条件下p-n异型和n-n同型异质结光电二极管的光响应度相对变化量随应变的变化曲线

图5、压电光电子学效应在p-n异型和n-n同型异质结光电二极管器件中的工作机制

(a)、压电光电子学效应对p-n异型异质结光电二极管器件能带结构的影响

(b)、压电光电子学效应对n-n同型异质结光电二极管器件能带结构的影响

【小结】

研究团队通过改变器件结构，系统地研究了压电光电子学效应在不同半导体器件结构中的调制作用，从实验和理论上说明了压电光电子学效应不仅能引入增强器件性能的正效应，同时也会引入削弱器件性能的负效应。这项研究成果不仅表明了器件结构对压电光电子学效应的调制作用有着非常重要的影响，也提出了一个非常关键的问题：如何通过优化器件结构使得压电光电子学效应能够在引入尽可能多的正效应的同时，尽量避免负效应的引入，实现压电光电子学效应调制作用的最优化？

【文献链接】

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

【课题组简介】

贺永宁，西安交通大学电子与信息工程学院微电子学院教授，博士研究生导师。主要从事纳米电子器件和微波无源器件等研究工作，致力于推进前沿探索研究和产学研合作。近20年来在纳米结构及其先进传感器方向聚焦氧化锌半导体纳米阵列、薄膜以及单晶器件的紫外探测和核辐射探测问题，长期探索实现了基于高阻ZnO的高性能紫外探测器件和纳秒脉冲X射线探测器件，在该方面承担了科技部重点专项子任务、多项国家自然基金项目等。开拓性地提出将微电子学领域先进微纳结构的制造方法应用于微波大功率无源器件的表面处理，将微波器件微放电阈值提高6dB之上；同期提出并探索微波无源器件射频电连接极弱非线性接触特性的建模研究，在国际上率先发表了微波无源器件因电接触导致的无源互调近似显性解析方程。在该方面曾承担并完成国防973项目3个专题及相关航天合作重点基金项目等。近年来带领课题组师生在Advanced Materials、IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques、Applied Physics Letters、Journal of Applied Physics、Physics of Plasma、物理学报等国内外著名学术期刊上发表论文60余篇，申请国家发明专利8项。

贺永宁教授个人主页：http://gr.xjtu.edu.cn/web/yongning

彭文博，西安交通大学电子与信息工程学院微电子学院讲师，硕士研究生导师。已发表SCI论文30余篇，主要从事基于低维压电半导体材料的新型半导体光电器件、压电电子学与压电光电子学、摩擦电子学、摩擦纳米发电机、声表面波器件与传感器等研究工作。

彭文博讲师个人主页：http://gr.xjtu.edu.cn/web/wpeng33

本文由彭文博讲师供稿。

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