Small:石墨烯/量子点光电探测器显性增益公式

石墨烯作为具有极高迁移率的零带隙半金属材料,在宽频光电探测领域具有较大应用前景。但是受限于其原子级的厚度,石墨烯的光吸收能力较弱。以至目前虽有基于石墨烯的中红外探测器研制成功,但器件的光响应性能普遍较差。近年来的研究表明,将半导体量子点旋涂于石墨烯表面可以极大的增强器件对光的吸收。相比于单纯由量子点构成的探测器(光增益在102-103),石墨烯/量子点光电探测器的光增益可以提高到难以解释的108量级。

经典理论公式往往用于解释这种高增益的现象,即巨大增益源于较长的光生少子复合寿命及较短的载流子渡越时间。不过,由于少子复合寿命和载流子渡越时间难以测量,这一经典的增益理论实际上是一个隐性函数,不能定量的用于拟合光强相关的光增益。同时,经典理论公式也是值得商榷的。但亚平教授2018年的一项工作(ACS Photonics 5, 2018, 4111)指出了经典增益理论中存在的两处错误假设:一是半导体没有边界,二是半导体完全理想没有缺陷。基于光生霍尔效应测量,课题组于2020年初(ACS Nano 14, 2020, 3405)成功推导出单晶光电导器件的显性增益公式。结果表明巨大的光增益并非源于少子复合寿命和载流子渡越时间的比值,而是归结于表面耗尽区上产生的光诱导感应光生电压对导电沟道宽度的调制。

此次,基于对石墨烯/PbS量子点光电器件的光生霍尔效应测试,上海交通大学密西根学院但亚平教授课题组成功的推导了适用于石墨烯/量子点光电探测器的显性增益公式。结果表明,由于量子点与石墨烯功函数的失配,电子会从石墨烯表面的量子点涂层转移到石墨烯体内。这一电子转移过程会改变石墨烯的栅极传输特性,并在量子点中形成耗尽区。施加光照会缩小耗尽区的宽度,并在石墨烯量子点界面产生光生电压。该光生电压可以驱动石墨烯,从而产生在实验中观测到的器件巨大的光增益。这一显性增益公式的推导基于石墨烯的理论栅极传输特性以及光电压与光照强度的相关性。该公式与实验数据非常吻合,从中提取物理参数也与定量分析基本一致。如量子点特性和器件制造参数可以精确控制,该增益方程可用于设计和预测类似石墨烯/量子点光电探测器的光响应。相关论文在线发表在Small (DOI: 10.1002/smll.202006307)