一种基于表面态机制的侧向光伏效应

The traditional lateral photovoltaic effects (LPEs) based on the Schottky barrier or PN junction have some inherent defects: small diffusion length of photo-generated carriers, low carriers concentration at spot of laser illumination, low sensitivity, and poor linearity. To overcome these shortcomings, this project deals with a new type lateral photovoltaic effect induced by surface states. By modulating the surface barrier height, surface conductivity, surface recombination rate of the structures, the quantum efficiency and diffusion length of carriers can be effectively optimized, which may lead to a new type of surface states based, broadband-responsivity, low-cost, and high-precision optical and optoelectronic applications.

针对目前基于双层或多层结构的肖特基势垒作用机制和PN结机制的侧向光伏效应存在的固有缺陷：光生载流子扩散长度小、光照点浓度低等导致的效应灵敏度低，线性度差等一系列问题，结合我们近期的预研究，本课题提出一种全新的基于表面态机制的侧向光伏效应。通过改变禁带中的表面态，调制结构的表面势垒高度、表面电导率、表面复合速率，并结合光照前后深能级瞬态谱的改变引起的表面态的变化，以及其他一些相关测试（X射线光电子能谱、开尔文探针显微镜等），确定表面态和侧向光伏效应关键物理参数之间的关联，优化光照点表面光生载流子浓度、表面电导率及光生载流子扩散长度等，解决传统肖特基势垒结构和PN结结构存在的瓶颈问题，获得优于传统机制的侧向光伏效应（我们实验上已经初步证实，基于表面态机制的效应灵敏度，要比传统机制下的灵敏度高1-2个数量级），同时弄清楚影响其侧向光伏效应的关键因素，为研制低成本、高灵敏度的光电传感器提供思路。

有效调控光生载流子的产生、分离和迁移一直是半导体光电效应的研究热点，而其中的侧向光伏效应因其能够有效地将极为微小的位移信号转化为线性变化的电信号（位置灵敏探测器PSD），而广泛应用于精密控制、机器人、光电传感、半导体芯片制造、航空航天以及军事等领域。本项目属于探索性课题研究，主要专注于基于表面态（界面态）的侧向光伏效应，包括相关多种体系的侧向光伏效应、光隧穿放大效应、光调控霍尔效应，以及融合了更多的物理因素的高性能光电探测研究，例如局域等离激元诱导增强的侧向光伏效应、以及通过能带修饰以提高“热电子”注入效率来增强侧向光伏效应等。此外，作为拓展，项目对基于金属/氧化物表面（或界面）改性的开关效应方面也进行了深入研究，包括：在界面处或电极处添加金属纳米颗粒和半导体量子点等方法来控制导电丝的形成和断裂，研究其对开关效应器件性能及复位模式的影响，以及相应的光调控等。在基金支持下，本课题取得一系列的重要研究成果，在相关领域有影响力的期刊上发表高质量学术论文28篇（全部标注基金支持，全部为通讯作者，含1篇正封面文章、1篇Featured Article、1篇编辑推荐和1篇邀请综述，还有一些文章作为亮点被多家媒体转载报道）。这些研究成果基本弄清了表面态（界面态）及其改变对侧向光伏效应及开关效应的影响，一些器件的性能指标远优于国际上已报道的同类器件的性能指标，完全达到实用价值。这些基于新机制的研究成果，在某种程度上推进了这个领域的发展，同时也奠定和扩大了我们课题组在相关领域的国际影响力。