上海交大但亚平课题组发现光电导器件瞬态响应内在机制

　　近日，上海交通大学密西根学院但亚平教授课题组在国际知名学术期刊《ACS Nano》上发表其最新研究成果《Analytical Transient Responses and Gain-Bandwidth-Products of Low-Dimensional High Gain Photodetectors》（低维高增益光电探测器瞬态响应和增益带宽积解析表达式，论文链接）, 论文揭示了光电导器件瞬态响应内在机制，建立了显性瞬态光响应解析表达式，发现了高增益光电导型器件增益带宽积（GBP）的理论极限，为光电导器件性能设计提供了理论依据。但亚平为论文的通讯作者，博士后何佳晶博士为论文第一作者，密院助理教授杨睿、兼职教授Abdelmadjid Mesli，博士研究生刘华友、贾越洋、李凯以及西安交通大学贺永宁教授及学生黄楚林参与了研究工作。

　　光电导器件虽然结构简单，却具有惊⼈的量⼦效率增益（上亿倍）和光灵敏度，但因缺乏理论指导器件设计，⼀直未获得⼴泛应⽤。经典光电导增益理论于1956年确⽴，是隐性函数。该理论认为任何光电导器件只要尺⼨⾜够⼩均可产⽣巨⼤增益。但1984年⽇本科学家（Jpn. J. Appl. Phys. 23, 1984, L299-L301）精确测量了砷化镓薄膜光电导器件的各参数，发现将参数代⼊经典理论后增益不会⼤于10，⽐实验测量值低3个数量级。后来也陆续有⼈对经典理论提出质疑，但⽆⼈指出该理论具体存在什么问题，正确的理论是什么。该理论已载⼊中外经典半导体物理课本，被⼴泛⽤于定性解释各种低维光电导器件的⾼增益现象（Nature Nanotech.7, 2012, 363；Nature Nanotech.9, 2014, 273）。

　　但亚平在长期的教学实践和科学研究中，发现经典理论存在两处假定与器件实际情况不符（ACS Photonics 2018）：⼀是未考虑⾦属-半导体边界条件；⼆是假定参与导电的光⽣多⼦与少⼦数量相等。考虑边界条件后，但亚平团队发现理想光电导器件永远不会有⾼增益。但实验中⼈们的确观察到了巨⼤的增益，这是因为经典理论没有考虑到真实的半导体总有缺陷或势阱。其团队采⽤光⽣霍尔效应测量发现：光⽣少⼦会被半导体缺陷或势井捕获，导致光⽣多⼦在导电沟道内积累并远多于光⽣少⼦，由此产⽣了巨⼤的光增益（ACS Nano 2018）。

　　在此基础上，但亚平团队进⼀步通过理论和实验研究，发现并确立了显性光电导增益理论（ACS Nano 2020），解决了经典理论不能拟合实验结果、指导器件设计的困境。利⽤类似的原理，团队还建⽴了⽯墨烯-量⼦点光电导器件的显性增益理论，理论可拟合并预测不同栅压导致的神奇的正、负光电导特性（Small 2021）。此次发表的论文主要研究了高增益光电导器件的瞬态响应及增益带宽积，为设计此类器件的高频响应提供理论依据。

　　背景介绍

　　但亚平现任上海交通大学密西根学院长聘副教授、博士生导师。 1999年本科毕业于西安交通大学，2002年硕士毕业于清华大学，2008年博士毕业于美国宾夕法尼亚大学。博士毕业后，在哈佛大学从事博士后研究，2012年加入上海交通大学密西根学院。但亚平的研究工作主要集中在全硅基光电子和单原子电子学，为未来先进集成电路和量子计算机技术提供关键解决方案。