【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】