半導體材料中的光電轉換過程是光電探測器和太陽能器件的基礎，也一直是半導體材料和物理領域的研究熱點。傳統(tǒng)半導體物理理論認為：在低維材料中，光生載流子在形成后會弛豫到基態(tài)，由于受到量子限制，光生載流子難于逃離限制勢壘形成有效的光電流。因此，將低維半導體材料應用于光伏和探測器領域一直難以成功。 WBGYk);  
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　　近期，中國科學院物理研究所E03組的王文奇、吳海燕、楊浩軍以及王祿、馬紫光、江洋在研究員陳弘的指導下，與劉伍明課題組合作，采用共振激發(fā)光致發(fā)光譜技術（即采用介于低維材料和其勢壘的禁帶寬帶的激光能量，只選擇性激發(fā)低維材料中的電子和空穴，而不在勢壘中形成光生載流子），在InGaN量子阱、InGaAs量子阱、InAs量子點等多個材料體系中均觀察到了在PN結作用下的載流子高效逃逸現(xiàn)象。 |w5#a_adM  
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　　如圖1所示，在無PN結的NIN結構中（非摻雜I區(qū)由10個周期的InAs/GaAs量子點結構組成），即使存在較高的外加偏壓載流子仍不能逃逸限制勢壘，只能通過輻射復合的方式發(fā)光。而在另一個測試樣品中，僅將NIN結構中的一個N型摻雜區(qū)改變?yōu)镻型摻雜區(qū)，形成了含有PN結的PIN結構。在同樣的共振激發(fā)光致發(fā)光譜測試實驗中，在零偏壓短路情況下，實驗觀察到超過85%的載流子不再參與發(fā)光。與此同時，電路中觀察到了明顯的光電流產(chǎn)生。通過在電路中串聯(lián)一可變電阻調整電路電流發(fā)現(xiàn)，電路中電流與量子點發(fā)光積分強度呈現(xiàn)線性反比關系，直接證實了量子點中形成的光生載流子形成了光電流。此外，通過對樣品光電轉換效率的計算，推算出該樣品中材料吸收系數(shù)存在數(shù)量級程度的增加。 #3S/TBy,  
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　　上述現(xiàn)象不能用經(jīng)典熱電子發(fā)射和隧穿現(xiàn)象及中間能帶理論解釋。項目組提出了一個新的物理模型，如圖2所示：沒有pn結的低維材料吸收光以后弛豫到基態(tài)，不能在電場的作用下逃逸低維材料，而有pn結的低維材料吸收光以后直接逃逸低維材料而不弛豫到基態(tài)。 1\2 m'o  
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　　低維半導體材料中光生載流子的高效抽取及其導致的材料吸收系數(shù)增加現(xiàn)象，使得基于低維半導體材料帶間躍遷的光電轉換器件制備成為可能。為驗證這一現(xiàn)象的實用效果，項目組還制備了InGaAs/GaAs多量子阱紅外探測器原型器件。在無表面抗反射膜的條件下，該器件利用僅100nm的吸收層厚度，實現(xiàn)了34%的外量子效率。利用該數(shù)值計算得到器件中有源層的吸收系數(shù)達到3.7×104 cm-1，明顯高于傳統(tǒng)透射光譜實驗中的實測數(shù)值（紅外與毫米波學報，in press）。 I.>
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