上海交大但亞平課題組：光霍爾效應揭示納米線光電導的增益原理

論文採用光霍爾效應在單根硅納米線上進行了精細測量，直接觀察到納米線內光生多子數量遠遠大於少子數量，雖然光生多子與少子是成對產生的。

編輯 譚坤

器件結構示意圖和關鍵測量結果

上海交大但亞平課題組此次發表的論文就是利用光照條件下的霍爾效應，測量了納米線中光生載流子的動態過程，打開了納米線光電導器件這個「黑匣子」，直接觀察到納米線導電溝道中的光生多數載流子（空穴）遠遠多於光生少數載流子（電子）。正是由於光生空穴數量遠遠大於光生電子數量，才導致了人們常觀察到的現象：即納米線光電導器件擁有巨大的光增益。但是熟悉半導體物理的人都知道：光生載流子是成對產生的，即光生空穴和電子數量上總是一樣多的。為什麼霍爾效應中測量到納米線溝道中的光生空穴數量遠遠多於光生電子的數量呢？這主要是因為納米線器件的表面態俘獲了大量光生電子，導致等量的光生空穴在納米線導電溝道內積累；而霍爾效應只能測量納米線溝道中的載流子數量，不能測量已經被表面態俘獲而不參與導電的光生電子數量。表面態俘獲光生電子必定會導致納米線表面有耗盡區，光照條件下的霍爾效應測量也觀測到了這一現象。

通訊作者簡介：

但亞平現任上海交通大學特別研究員，密西根學院副教授、博士生導師， 1999年本科畢業於西安交通大學，2002年碩士畢業於清華大學，2008年博士畢業於美國賓夕法尼亞大學。博士畢業後，在哈佛大學從事博士後研究，2012年加入上海交通大學密西根學院，同年入選中組部「青年千人計劃」。但教授的研究工作主要集中在全硅基光電子和單原子電子學，為未來先進集成電路和量子計算機技術提供關鍵解決方案。

但亞平研究員

相關論文信息

標題Dynamics of Charge Carriers in Silicon Nanowire Photoconductors Revealed by Photo Hall Effect Measurements

作者Kaixiang Chen, Xiaolong Zhao, Abdelmadjid Mesli, Yongning He, and Yaping Dan

期刊ACS Nano

期刊介紹：ACS Nano是化學和材料科學領域的頂級期刊之一，在國際上擁有廣泛的影響力，其收錄的文章主要分布在納米科學與技術領域，對研究的原創性、結構的新穎性等有著極為嚴格的要求，最新影響因子為13.942。

DOI: 10.1021/acsnano.8b00004

發表日期(Web): March 19, 2018

摘要Photoconductors have extraordinarily high gain in quantum efficiency. But the origin of the gain remains in dispute for decades. In this work, we employ photo Hall effect to reveal the gain mechanisms by probing the dynamics of photogenerated charge carriers in silicon nanowire photoconductors. The results reveal that a large number of photogenerated minority electrons are partly accumulated in the surface depletion region and dominantly captured by surface trap states. The same number of excess hole counterparts is left in the nanowire conduction channel, resulting in the fact that excess holes outnumber the excess electrons in the nanowire conduction channel by orders of magnitude. The accumulation of the excess holes broadens the conduction channel by narrowing down the depletion region, which leads to the experimentally observed high photo gain.

論文鏈接 https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.8b00004

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