“極弱光下氮化物光電導(dǎo)研究”方面取得新進(jìn)展

中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所紅外物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室康亭亭研究員等在中科院百人計(jì)劃支持下，在“極弱光下氮化物光電導(dǎo)研究”方面取得新進(jìn)展。

研究人員以極限條件（即弱光、極低溫、強(qiáng)磁場(chǎng)）下的光電實(shí)驗(yàn)物理為主要研究方向，設(shè)計(jì)以LED（發(fā)光二極管）為光源的弱光光電導(dǎo)測(cè)量系統(tǒng)[下圖所示]，測(cè)量InN的光電導(dǎo)行為。以光的功率密度為指標(biāo)，入射光強(qiáng)度范圍在10-9-10-6W/cm2之間(僅相當(dāng)于滿(mǎn)月時(shí)地面上月光強(qiáng)度(~10-7W/cm2))。國(guó)際上光電導(dǎo)研究都使用強(qiáng)光(0.1 - 100W/cm2)，是實(shí)驗(yàn)用光強(qiáng)的10萬(wàn)到10億倍。研究人員發(fā)現(xiàn)InN“負(fù)持續(xù)光電導(dǎo)”在弱光時(shí)完全消失，而它在強(qiáng)光下的表現(xiàn)的行為也符合光加熱效應(yīng)的三個(gè)特征：(1)符合熱效應(yīng)趨勢(shì)；(2)長(zhǎng)的弛豫時(shí)間；(3)隨溫度下降而增強(qiáng)。結(jié)果證明：InN“負(fù)持續(xù)光電導(dǎo)”來(lái)源于光加熱效應(yīng)，表明InN具有很強(qiáng)的電子-晶格作用；InN:Mg中具有n型到P型的轉(zhuǎn)變，也不再受到光電導(dǎo)結(jié)果的支持。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明在光電導(dǎo)研究中不考慮光加熱效應(yīng)的研究方法是完全不正確的。所得結(jié)果發(fā)表在氮化物領(lǐng)域的重要刊物Applied Physics Letters上[Appl. Phys. Lett.110, 042104 (2017)]。

(a) 搭建一個(gè)弱光（低溫LED）弱熱輻射光電導(dǎo)測(cè)量系統(tǒng)。利用低溫金屬罩（~40K）來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)室溫部件所發(fā)出的300K黑體熱輻射的屏蔽。(b)光加熱效應(yīng)的物理圖像

光電導(dǎo)(photoconductivity)測(cè)量是研究材料光電性質(zhì)的重要方法，其研究的是物體在電磁波照射下的電學(xué)性質(zhì)變化。自從W. Smith在1873年對(duì)硒的光電導(dǎo)行為開(kāi)展研究以來(lái)，光電導(dǎo)一直是光電子學(xué)、凝聚態(tài)物理等學(xué)科中重要的研究方向，并直接導(dǎo)致了光探測(cè)器這一應(yīng)用領(lǐng)域的建立與發(fā)展。但是由于強(qiáng)光（主要是激光）的采用，該領(lǐng)域一直飽受爭(zhēng)議。另一方面，氮化物作為第三代半導(dǎo)體，在消費(fèi)電子學(xué)和白光照明等領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。赤崎勇、天野浩和中村修二因?yàn)樵诘镱I(lǐng)域的貢獻(xiàn)而獲得2014年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。氮化銦(InN)作為三族氮化物中唯一禁帶寬度位于紅外(~0.7eV)的材料，在基于氮化物的紅外探測(cè)器、全光譜高性能太陽(yáng)能電池等應(yīng)用中具有重要的應(yīng)用前景。最近，在InN領(lǐng)域，多個(gè)研究組在Phys. Rev. B、Appl. Phys. Lett.、Sci. Rep.等著名學(xué)術(shù)期刊上陸續(xù)報(bào)道了InN中存在所謂的“負(fù)持續(xù)光電導(dǎo)”(negative persistent photoconductivity, NPPC)，即：InN在強(qiáng)光（激光）照射之后，電導(dǎo)會(huì)緩慢下降(即所謂的“負(fù)”光電導(dǎo))。