SSN03794148 N11-1957/04 第39卷第8期2010 I(A MEMOGATKA MALIGA51 50园 激光发明50周年专题 ●物理学中的演生现象 拓扑绝缘体及其研究进展 ●普兰克1923年在华学术活动 ∈彎 国物理学会 中国科学院物理研究所办
第39卷 第8期 2010年8月 目次 WULI 月刊·1972年创刊 激光发明50周年专题 激光医学 顾瑛(515) 国家科技部“中国科技论文统计源期刊” 钙钛矿氧化物异质结的光电特性研究进展 (中国科技核心期刊) 郭海中陆珩金奎娟吕惠宾何萌王灿杨国桢(522) 神光系列装置激光聚变实验与诊断技术研究进展………… 国家自然科学基金委员会数理学部资助 江少恩丁永坤刘慎业张保汉 中国科协精品科技期刊示范项目 郑志坚杨家敏缪文勇黄天晅张继彦李三伟曹磊峰(531) 评述 物理学中的演生现象 张广铭于渌(543) “就像从帽子里拎出兔子”——从陈难先的一个工作说起 王正行(550) 前沿评述 压电电子学和压电光电子学 王中林(556) 保偏等离激元纳米光波导、等离激元纳米光子路由器和多路转接器评述 ……李志鹏方蔚瑞黄映洲徐红星(558) 利用比热手段证明氧化物超导体正常态有电子库珀对存在 牟刚罗会仟闻海虎(560) 前沿进展 拓扑绝缘体及其研究进展……………… 叶飞苏刚(564) 日物理攫英 主管中国科学院 湯132的双幻核特性检验 孟杰张颖陈启博(570) 主办中国物理学会 物理学史和物理学家 中国科学院物理研究所 普兰克1923年在华学术活动 刘娜李艳平(572) 协办国家自然科学基金委员会中国物理学会通讯 数理科学部 关于推荐及评选2010—2011年度胡刚复、饶毓泰、叶企孙、吴有训、王淦昌物 理奖的通知(578)关于推荐及评选第三届中国物理学会谢希德物理奖通知 中国工程物理研究院 (578)关于推荐评选第八届周培源物理奖的通知(579)关于推荐及评选第 主编冯世平 届中国物理学会黄昆物理奖的通知(579) 出版《物理》编辑部 书评和书讯 地址北京603信箱,100190 科学出版社物理类重点书图书推荐(549)三十年潜心研究的成果一李 华著《电子晶体学与图像处理》简介(吴自勤,580)北京大学建校110周年物 电话(010)82649470,82649266 理人物图书系列(582)《北京大学物理学丛书》书目(583) 传真(010)82649029 物理新闻和动态 广告业务(010)8264926 观看量子现象(树华,542)对超冷化学反应的探讨(云中客,555)石墨烯纳 Email: physics@iphy ac, cn 米丝电路(树华,577)形状各异的气泡(云中客,577) Http://www.wuli.ac.cn 招生招聘 Newport集团(光谱物理公司)招聘中国大陆区域销售和技术人员(581)香港中文 印刷装订北京科信印刷厂 大学物理系招生信息(584)半导体超晶格国家重点实验室诚聘英才(585)首都 国内统一刊号CN11-1957/O4 师范大学太赫兹光电子学省部共建教育部重点实验室诚招英才(585)中国科学 国内邮发代号2-805 院物理研究所(北京凝聚态物理国家实验室)2010年度人才招聘启事(586)南京 国内定价20.00元 大学固体微结构国家重点实验室诚招英才(586)北京计算科学研究中心招聘海 内外高层次人才(587)北京大学量子材料科学中心人才招聘启事(588) 总发行北京报刊发行局 封面故事 秦克诚(521 订购处全国各地邮局 读者和编者 国际标准刊号ISSN0379-4148 《中国大百科全书·物理学》(第二版)邮购信息… (579) 国外代号M51 广告江西连胜实验装备有限公司(封二)宁波爱发科低温泵有限公司(封三)美国 国外总发行中国国际图书贸易总公司 理波公司北京代表处(封底)北京汇德信科技有限公司(插1)先锋科技股份有 限公司(插2)科艺仪器有限公司(插3) Stanford Research Systems(插4)北 (北京399信箱100044) 京优赛科技有限公司(插5)慕尼黑上海激光、光电展(插6)北京三尼阳光科 广告经营许可证京海工商广字 技发展有限公司(插7)北京微视凌志图像技术有限公司(插8)北京赛凡光电 第0335号 仪器有限公司(倒插1)上海格奥光电技术有限公司(倒插2)北京鼎信优威光 出版日期2010年8月12日 子科技有限公司(倒插3、4))北京欧普特科技有限公司(第557页) 2010版权所有
月刊·1972年创刊 国家科技部“中国科技论文统计源期刊暠 (中国科技核心期刊) 国家自然科学基金委员会数理学部资助 中国科协精品科技期刊示范项目 主 管 中国科学院 主 办 中国物理学会 中国科学院物理研究所 协 办 国家自然科学基金委员会 数理科学部 中国工程物理研究院 主 编 冯世平 出 版 《物理》编辑部 地 址 北京603信箱,100190 电 话 (010)82649470,82649266 传 真 (010)82649029 广告业务 (010)82649266 Email:physics@iphy.ac.cn Http:飋飋www.wuli.ac.cn 印刷装订 北京科信印刷厂 国内统一刊号 CN11-1957/O4 国内邮发代号 2-805 国内定价 20.00元 总 发 行 北京报刊发行局 订 购 处 全国各地邮局 国际标准刊号 ISSN0379-4148 国外代号 M51 国外总发行 中国国际图书贸易总公司 (北京399信箱 100044) 广告经营许可证 京海工商广字 第0335号 出版日期 2010年8月12日 擪 2010版权所有 第39卷 第8期 2010年8月 目 次 激光发明50周年专题 激光医学 …………………………………………………………… 顾 瑛(515) 钙钛矿氧化物异质结的光电特性研究进展 ……………………………… …… 郭海中 陆 珩 金奎娟 吕惠宾 何 萌 王 灿 杨国桢(522) 神光系列装置激光聚变实验与诊断技术研究进展 ……………………… …………………………………… 江少恩 丁永坤 刘慎业 张保汉 郑志坚 杨家敏 缪文勇 黄天晅 张继彦 李三伟 曹磊峰(531) 评述 物理学中的演生现象 …………………………………… 张广铭 于 渌(543) “就像从帽子里拎出兔子暠———从陈难先的一个工作说起 ……… 王正行(550) 前沿评述 压电电子学和压电光电子学 ……………………………………… 王中林(556) 保偏等离激元纳米光波导、等离激元纳米光子路由器和多路转接器评述 … …………………………………… 李志鹏 方蔚瑞 黄映洲 徐红星(558) 利用比热手段证明氧化物超导体正常态有电子库珀对存在………………… ……………………………………………… 牟 刚 罗会仟 闻海虎(560) 前沿进展 拓扑绝缘体及其研究进展 …………………………… 叶 飞 苏 刚(564) 今日物理攫英 锡132的双幻核特性检验 …………………… 孟 杰 张 颖 陈启博(570) 物理学史和物理学家 普兰克1923年在华学术活动 ………………………… 刘 娜 李艳平(572) 中国物理学会通讯 关于推荐及评选2010—2011年度胡刚复、饶毓泰、叶企孙、吴有训、王淦昌物 理奖的通知(578) 关于推荐及评选第三届中国物理学会谢希德物理奖通知 (578) 关于推荐评选第八届周培源物理奖的通知(579) 关于推荐及评选第 二届中国物理学会黄昆物理奖的通知(579) 书评和书讯 科学出版社物理类重点书图书推荐(549) 三十年潜心研究的成果———李方 华著《电子晶体学与图像处理》简介(吴自勤,580) 北京大学建校110周年物 理人物图书系列(582) 《北京大学物理学丛书》书目(583) 物理新闻和动态 观看量子现象(树华,542) 对超冷化学反应的探讨(云中客,555) 石墨烯纳 米丝电路(树华,577) 形状各异的气泡(云中客,577) 招生招聘 Newport集团(光谱物理公司)招聘中国大陆区域销售和技术人员(581) 香港中文 大学物理系招生信息(584) 半导体超晶格国家重点实验室诚聘英才(585) 首都 师范大学太赫兹光电子学省部共建教育部重点实验室诚招英才(585) 中国科学 院物理研究所(北京凝聚态物理国家实验室)2010年度人才招聘启事(586) 南京 大学固体微结构国家重点实验室诚招英才(586) 北京计算科学研究中心招聘海 内外高层次人才(587) 北京大学量子材料科学中心人才招聘启事(588) 封面故事 ……………………………………………………………… 秦克诚(521) 读者和编者 《中国大百科全书·物理学》(第二版)邮购信息 ………………………… (579) 广告 江西连胜实验装备有限公司(封二) 宁波爱发科低温泵有限公司(封三) 美国 理波公司北京代表处(封底) 北京汇德信科技有限公司(插1) 先锋科技股份有 限公司(插2) 科艺仪器有限公司(插3) StanfordResearchSystems(插4) 北 京优赛科技有限公司(插5) 慕尼黑上海激光、光电展(插6) 北京三尼阳光科 技发展有限公司(插7) 北京微视凌志图像技术有限公司(插8) 北京赛凡光电 仪器有限公司(倒插1) 上海格奥光电技术有限公司(倒插2) 北京鼎信优威光 子科技有限公司(倒插3、4)) 北京欧普特科技有限公司(第557页)
激光发明50周年专题 钙钛矿氧化物异质结的光电特性研究进展 郭海中陆珩金奎娟吕惠宾何萌王灿杨国桢 (中国科学院物理研究所北京凝聚态物理国家实验室北京100190) 摘要光与物质相互作用可以产生各种光学现象,其中光电效应是非常重要的现象之一,文中集中回顾了文 章作者在钙钛矿氧化物异质结的光电效应研究中的进展.在钙钛矿氧化物异质结中,分别观测到了传统的纵向光 电效应和反常的横向光电效应,并通过对含时的漂移一扩散方程的自洽求解,从理论上分别揭示了钙钛矿氧化物 异质结纵向和横向光电效应的动态过程.文章首先介绍了钙钛矿氧化物异质结纵向光电效应的研究进展,接着概 述了钙钛矿氧化物异质结横向光电效应研究的进展.最后对氧化物异质结的纵向和横向光电效应的潜在应用前景 进行展望 关键词光与物质相互作用,光电效应,钙钛矿氧化物异质结 Photovoltage in perovskite oxide heterostructures GUO Hai-Zhong L U Heng JIN Kui-Juan LU Hui-Bin HE Meng WANG Can YANG Guo-Zhen Beijing National Laboratory for Condensed Matter Physics, Institute of Ph ysics, Chinese Academy of sciences, Beijing 100190, China) Abstract The interaction of light with matter can induce a variety of optical phenomena, amongst which photovoltage is one of the most important. In this paper we report our experimental and theoretical studies on perovskite oxide heterojunctions which exhibit traditional vertical photovoltage as well as unusual latera photovoltage. The dynamic process of the photovoltaic effect in perovskite oxide heterojunctions is analyzed nd explained by means of a self\ consistent calculation based on the drift-diffusion mode. We first describe our experimental and theoretical results for the vertical photovoltage effect, followed by those for the lateral photovoltage. Finally, their potential applications are discussed Keywords interaction of light with matter, photovoltage, perovskite oxide heterojuction 子逸出物质表面,形成真空中的电子的现象;内光电 1引言 效应是被光激发所产生的载流子(自由电子或空穴) 仍在物质内部运动,使物质的电导率发生变化(光电 光与物质相互作用可以产生各种光学现象,如导效应)或产生光生伏特( photovoltaic effect)的 光的折射、反射、散射、透射、吸收、旋光以及物质受现象 激辐射等.光与物质相互作用还可以产生一种能量 半个世纪以来,硅基半导体材料的光电特性研 转移的现象,即光照射到某些物质上,引起物质的电究取得了巨大的成功,半导体太阳能电池和硅光电 性质发生变化,也就是光能量转换成电能.这类光致 电变的现象被人们统称为光电效应( photoelectric*国家自然科学基金委员会国家杰出青年科学基金(批准号 effect).这一现象是1887年赫兹在实验研究麦克斯 10825418) 重点基础研究发展计划(批准号: 韦电磁理论时偶然发现的.光电效应分为外光电效 2007CB307005)资助项目 应和内光电效应:外光电效应是被光激发产生的电 2010-07-15收到 十通讯联系人.Email:kujin@aphy.iphy.ac.cn 522 http://www.wuliac,cn 物理·39卷(2010年)8期
http:飋飋www.wuli.ac.cn 物理·39卷 (2010年)8期 钙钛矿氧化物异质结的光电特性研究进展* 郭海中 陆 珩 金奎娟昄 吕惠宾 何 萌 王 灿 杨国桢 (中国科学院物理研究所 北京凝聚态物理国家实验室 北京 100190) 摘 要 光与物质相互作用可以产生各种光学现象,其中光电效应是非常重要的现象之一.文中集中回顾了文 章作者在钙钛矿氧化物异质结的光电效应研究中的进展.在钙钛矿氧化物异质结中,分别观测到了传统的纵向光 电效应和反常的横向光电效应,并通过对含时的漂移-扩散方程的自洽求解,从理论上分别揭示了钙钛矿氧化物 异质结纵向和横向光电效应的动态过程.文章首先介绍了钙钛矿氧化物异质结纵向光电效应的研究进展,接着概 述了钙钛矿氧化物异质结横向光电效应研究的进展.最后对氧化物异质结的纵向和横向光电效应的潜在应用前景 进行展望. 关键词 光与物质相互作用,光电效应,钙钛矿氧化物异质结 Photovoltageinperovskiteoxideheterostructures GUO Hai灢Zhong LU Heng JIN Kui灢Juan 昄 LU Hui灢Bin HE Meng WANGCan YANGGuo灢Zhen (BeijingNationalLaboratoryforCondensedMatterPhysics,InstituteofPhysics,ChineseAcademyofSciences,Beijing100190,China) Abstract Theinteractionoflightwithmattercaninduceavarietyofopticalphenomena,amongstwhich photovoltageisoneofthemostimportant.Inthispaperwereportourexperimentalandtheoreticalstudies onperovskiteoxideheterojunctionswhichexhibittraditionalverticalphotovoltageaswellasunusuallateral photovoltage.Thedynamicprocessofthephotovoltaiceffectinperovskiteoxideheterojunctionsisanalyzed andexplainedbymeansofaself\consistentcalculationbasedonthedrift灢diffusionmode.Wefirstdescribe ourexperimentalandtheoreticalresultsfortheverticalphotovoltageeffect,followedbythoseforthelateral photovoltage.Finally,theirpotentialapplicationsarediscussed. Keywords interactionoflightwithmatter,photovoltage,perovskiteoxideheterojuction * 国家自然 科 学 基 金 委 员 会 国 家 杰 出 青 年 科 学 基 金 (批 准 号: 10825418)、国 家 重 点 基 础 研 究 发 展 计 划 (批 准 号: 2007CB307005)资助项目 2010-07-15收到 昄 通讯联系人.Email:kjjin@aphy.iphy.ac.cn 1 引言 光与物质相互作用可以产生各种光学现象,如 光的折射、反射、散射、透射、吸收、旋光以及物质受 激辐射等.光与物质相互作用还可以产生一种能量 转移的现象,即光照射到某些物质上,引起物质的电 性质发生变化,也就是光能量转换成电能.这类光致 电变的现象被人们统称为光电效应(photoelectric effect).这一现象是1887年赫兹在实验研究麦克斯 韦电磁理论时偶然发现的.光电效应分为外光电效 应和内光电效应:外光电效应是被光激发产生的电 子逸出物质表面,形成真空中的电子的现象;内光电 效应是被光激发所产生的载流子(自由电子或空穴) 仍在物质内部运动,使物质的电导率发生变化(光电 导效应)或产生光生伏特(photovoltaiceffect)[1]的 现象. 半个世纪以来,硅基半导体材料的光电特性研 究取得了巨大的成功,半导体太阳能电池和硅光电 ·522· 激光发明50周年专题
激光发明50周年专题 探测器在生产和生活中正变得越来越重要.但由于用的过程.引起我们思考的问题是,在激光强度可以 单晶硅成本价格居高不下以及工艺复杂,要想大幅达到非常强的今天,如果光生载流子的数目和氧化 度降低相应光电器件的成本非常困难.而钙钛矿氧物半导体的掺杂浓度可以相比拟,那么,另外一种机 化物材料价格便宜、原料丰富、性能稳定,且可通过制,即丹倍效应( Dember effect)会不会起主导作用 化学掺杂等手段来适当调节其性能,已经成为光电呢?丹倍效应是指当光照射到物体表面时,产生的 特性研究中所看好的材料 电子一空穴对同时向外扩散,由于电子比空穴扩散 光辐照是一种外界激励.利用光辐照不需要改得快,导致光照部分电势高,未照部分电势低,这样 变钙钛矿氧化物的化学组分和晶体结构就可以方便也可在物体表面形成瞬态电势分布,即为横向丹倍 地改变钛矿氧化物的载流子浓度,影响钛矿氧化物光电效应1.丹倍光电效应在半导体表面的发现和 的物理性质,这就使得通过光诱导的方式操控钙钛提出距今已有60年的历史了13,但在半导体p-n 矿氧化物的物理特性成为一种可能.近年来,国内外结的研究中未见报道.如果在氧化物异质结中真的 学者已经对光对钙钛矿氧化物材料特性的影响开展会出现这种丹倍效应为主导的机制,那么在实验上 了一系列研究.日本的研究小组发现X射线和激光最有力的佐证就是在p区和n区测得的横向光生电 都可以在Pra.rCao.3MnO3单晶中诱导材料的绝缘压具有相同的符号(正或负).我们接下来的实验研 体一金属相变现象23.在Pro.rCa3MnO3单晶2究[完全证实了这种猜测,后续的理论研究[7又 和(La3Nd.)2/3Ca1MnO3薄膜中,还存在光诱揭示了这种由传统半导体p-n结横向光电理论为 导的光电导效应在光照结束后仍保持一段时间的持主导到由丹倍效应为主导的机制转变是由光生载流 续光电导效应.La.8Sra2MnO3/ SrTio3异质结的子的数目来调制的,即可由激光能量来操控.在实验 输运性质和磁性可以通过光场调制载流子浓度的方中最为有趣的发现是,在氧化物和半导体衬底上生 来调制[].另外,在钙钛矿异质结的光电特性研究长了氧化物薄膜后,其丹倍光电效应分别比原来的 方面,国内外许多研究小组也开展了大量的研究工衬底提高了一个数量级.目前,半导体块材中的横向 丹倍效应由于可以成为太赫兹辐射源而引起科学家 根据产生电势差时载流子分离机理的不同,光广泛的关注[8-20,我们期待这种氧化物异质结由于 生伏特效应又可分为纵向光电效应(势垒效应,其大大增强的瞬态丹倍光电效应,可以成为一种新 p-n结光生伏特效应)和横向光电效应等 型的太赫兹辐射源 纵向光电效应指的是在光照射到p-n结时, 这篇综述文章主要介绍我们在钙钛矿氧化物异 将在p-n结两端产生电动势的现象.在传统半导质结纵向和横向光电效应的实验和理论计算研究方 体p-n结中,当光子能量大于或等于半导体材料面的最新研究进展6,l,2-2.我们在钙钛矿氧化物 带隙的光辐照到p-n结上时,价带中的电子跃迁异质结中分别观测到了传统的纵向光电效应和反常 到导带,而产生电子一空穴对,在内建电场的作用的横向光电效应;在理论上,我们通过对含时的漂移 下,电子向n区漂移,空穴向p区漂移,使p区费米扩散方程的自洽求解,分别揭示了氧化物异质结 能级降低,n区费米能级提高,在垂直结平面的方向纵向和横向光电效应的动态过程.文章分别介绍了 上形成光生电动势,这种效应被称为纵向光电效应.我们最新的钙钛矿氧化物异质结的纵向光电效应实 横向光电效应( lateral photovoltage,LPV)在验和理论研究结果,和其横向光电效应实验和理论 传统半导体理论中是指p-n结受不均匀光照时,研究结果,并做了讨论和小结.开展钙钛矿氧化物光 光照部分产生电子一空穴对,电子一空穴对在光照电特性的研究不仅对理解电子强关联体系中的凝聚 区被内建电场分离.由于载流子浓度在光照区比未态物理基本问题具有重要意义,而且也是探索和研 受光照区的浓度大,在横向上出现了载流子浓度梯究新型光电器件的重要手段,探索解决能源危机的 度,引起载流子扩散,于是在p区和n区表面分别形新途径 成了横向电势分布.由于在p-n结中,在内建电场 的漂移作用下,p区集聚了空穴,而n区集聚了电2实验结果和理论分析 子,因此在p区两任意位置所测量的光生电压应该 与n区中两个对应位置处的光生电压具有相反的符 我们用激光分子束外延技术制备了一系列不同 号.这样的现象事实上是体系中多数载流子在起作厚度的Lao.9 Sro i Mno3/ SiNbo oI Ti0.9O3(LSMO/ 物理·39卷(2010年)8期 http://www,wuliaccn
物理·39卷 (2010年)8期 http:飋飋www.wuli.ac.cn 探测器在生产和生活中正变得越来越重要.但由于 单晶硅成本价格居高不下以及工艺复杂,要想大幅 度降低相应光电器件的成本非常困难.而钙钛矿氧 化物材料价格便宜、原料丰富、性能稳定,且可通过 化学掺杂等手段来适当调节其性能,已经成为光电 特性研究中所看好的材料. 光辐照是一种外界激励.利用光辐照不需要改 变钙钛矿氧化物的化学组分和晶体结构就可以方便 地改变钛矿氧化物的载流子浓度,影响钛矿氧化物 的物理性质,这就使得通过光诱导的方式操控钙钛 矿氧化物的物理特性成为一种可能.近年来,国内外 学者已经对光对钙钛矿氧化物材料特性的影响开展 了一系列研究.日本的研究小组发现,X射线和激光 都可以在 Pr0.7Ca0.3MnO3 单晶中诱导材料的绝缘 体-金属相变现象[2,3].在 Pr0.7Ca0.3MnO3 单晶[2] 和(La0.3Nd0.7)2/3Ca1/3MnO3 薄膜[4]中,还存在光诱 导的光电导效应在光照结束后仍保持一段时间的持 续光电导效应.La0.8Sr0.2 MnO3/SrTiO3 异 质 结 的 输运性质和磁性可以通过光场调制载流子浓度的方 法来调制[5].另外,在钙钛矿异质结的光电特性研究 方面,国内外许多研究小组也开展了大量的研究工 作[6—14]. 根据产生电势差时载流子分离机理的不同,光 生伏特 效 应 又 可 分 为 纵 向 光 电 效 应 (势 垒 效 应, p-n结光生伏特效应)和横向光电效应等. 纵向光电效应指的是在光照射到 p-n结时, 将在p-n结两端产生电动势的现象.在传统半导 体p-n结中,当光子能量大于或等于半导体材料 带隙的光辐照到 p-n结上时,价带中的电子跃迁 到导带,而产生电子-空穴对,在内建电场的作用 下,电子向n区漂移,空穴向p区漂移,使p区费米 能级降低,n区费米能级提高,在垂直结平面的方向 上形成光生电动势,这种效应被称为纵向光电效应. 横向光电效应(lateralphotovoltage,LPV)在 传统半导体理论中是指 p-n结受不均匀光照时, 光照部分产生电子-空穴对,电子-空穴对在光照 区被内建电场分离.由于载流子浓度在光照区比未 受光照区的浓度大,在横向上出现了载流子浓度梯 度,引起载流子扩散,于是在p区和n区表面分别形 成了横向电势分布.由于在p-n结中,在内建电场 的漂移作用下,p 区集聚了空穴,而 n 区集聚了电 子,因此在p区两任意位置所测量的光生电压应该 与n区中两个对应位置处的光生电压具有相反的符 号.这样的现象事实上是体系中多数载流子在起作 用的过程.引起我们思考的问题是,在激光强度可以 达到非常强的今天,如果光生载流子的数目和氧化 物半导体的掺杂浓度可以相比拟,那么,另外一种机 制,即丹倍效应(Dembereffect)会不会起主导作用 呢? 丹倍效应是指当光照射到物体表面时,产生的 电子-空穴对同时向外扩散,由于电子比空穴扩散 得快,导致光照部分电势高,未照部分电势低,这样 也可在物体表面形成瞬态电势分布,即为横向丹倍 光电效应[15].丹倍光电效应在半导体表面的发现和 提出距今已有60年的历史了[15],但在半导体p-n 结的研究中未见报道.如果在氧化物异质结中真的 会出现这种丹倍效应为主导的机制,那么在实验上 最有力的佐证就是在p区和n区测得的横向光生电 压具有相同的符号(正或负).我们接下来的实验研 究[16]完全证实了这种猜测,后续的理论研究[17]又 揭示了这种由传统半导体p-n结横向光电理论为 主导到由丹倍效应为主导的机制转变是由光生载流 子的数目来调制的,即可由激光能量来操控.在实验 中最为有趣的发现是,在氧化物和半导体衬底上生 长了氧化物薄膜后,其丹倍光电效应分别比原来的 衬底提高了一个数量级.目前,半导体块材中的横向 丹倍效应由于可以成为太赫兹辐射源而引起科学家 广泛的关注[18—20],我们期待这种氧化物异质结由于 其大大增强的瞬态丹倍光电效应,可以成为一种新 型的太赫兹辐射源. 这篇综述文章主要介绍我们在钙钛矿氧化物异 质结纵向和横向光电效应的实验和理论计算研究方 面的最新研究进展[16,17,21—23].我们在钙钛矿氧化物 异质结中分别观测到了传统的纵向光电效应和反常 的横向光电效应;在理论上,我们通过对含时的漂移 -扩散方程的自洽求解,分别揭示了氧化物异质结 纵向和横向光电效应的动态过程.文章分别介绍了 我们最新的钙钛矿氧化物异质结的纵向光电效应实 验和理论研究结果,和其横向光电效应实验和理论 研究结果,并做了讨论和小结.开展钙钛矿氧化物光 电特性的研究不仅对理解电子强关联体系中的凝聚 态物理基本问题具有重要意义,而且也是探索和研 究新型光电器件的重要手段,探索解决能源危机的 新途径. 2 实验结果和理论分析 我们用激光分子束外延技术制备了一系列不同 厚度的 La0.9Sr0.1 MnO3/SrNb0.01Ti0.99O3 (LSMO/ ·523· 激光发明50周年专题
激光发明50周年专题 SNTO)钙钛矿氧化物p-n异质结.样品的制备工 100个原胞层 艺在文献[16,17,21-23]中有详细报道.X射线 衍射(XRD)0-20扫描结果表明,我们所制备的氧 化物异质结具有很好的结晶性,并且表面非常平整 50个原胞层 LSMo t 250 r 截面高分辨透射电子显微成像( HRTEM)说明,钙 10个原胞层 钛矿氧化物异质结的界面具有完美的排列取向.另 外我们在室温下通过脉冲调制的电流源测试了钙 5个原胞层 钛矿氧化物异质结的电流一电压(Ⅰ一V)特性,结果 表明,异质结具有典型p-n结的整流特性,通过测 量薄膜或衬底电极之间的电压一电流特性,证实了 整流特性来源于异质结的特性 时间/ns 2.1钙钛矿氧化物异质结的纵向光电效应研究 图1LSMO层厚度不同的LSMO/SNTO异质结的纵向开路 我们测量了LSMO层厚度不同的LSMO/ 光电压随时间的变化关系.插图为纵向光电效应的测量示意.图 SNTO异质结的纵向光电效应,测量的示意图如图 1中的插图所示1,我们用XeCl准分子激光束(波n区(SNTO)价带中的光生空穴就会漂移到p区 长为308m,脉宽为20ns,辐射能量为0.15mJ,单LSMO),其过程如图2中过程2所示这样,光生 脉冲的重复周期为5分钟,以避免热效应)辐照 电流就在相反的方向产生了,光生电压在钙钛矿氧 p-LSMO的表面上直径为0.5mm的圆形小区域在化物p-n异质结的正向方向上产生了 室温下,用500MHz的取样示波器(输入阻抗为 SNTO 1Ma)测量并记录下 P-LSMO表面和SNTO衬底 E o空穴 钢电极之间的纵向光生电压.图1给出了LSMO层 厚度不同的LSMO/SNTO异质结的纵向开路光生 电压随时间的变化关系曲线.LSMO层厚度为5个 原胞层(~2nm)、10个原胞层(~4nm)、50个原胞 层(~20nm)和100个原胞层(~39nm)厚的 LSMO/SNTO异质结的开路电压的最大值分别为 2,13,17和21mV.开路电压的最大值随着异质结 的LSMO层的厚度增加而增大,其原因可以解释如 (b) LSMO SNTO 下:当用波长为308nm的激光(~4.0eV)照射 o空穴 LSMO/SNTO异质结时,光子能量大于异质结材料 的带隙,光子被异质结吸收.根据计算出的LSMO 和SNTO的吸收系数可以看出[2,一部分光子可 以透射过LSMO层被SNTO衬底吸收 经上述分析,类似我们以前报道过的t处理方 法,我们计算出了LSMO/SNTO异质结的能带结 构图(见图2(b)21),并在图中标出了载流子运动的图2超薄LSMO层(a)和一般薄LSMO层(b)的LSMO/ 示意图.图2(a)是我们依据计算所得的能带图(图 SNTO异质结的能带结构图和载流子运动示意图.水平轴对应 (b))示意画出的超薄膜的能带图(当薄膜厚度小于 于空间电荷区的生长方向.图引自文献[21 耗尽区厚度时不能简单应用自洽计算方法)当能量 通过计算,得出了LSMO/SNTO异质结在空间 大于带隙E的光子照射异质结时,价带中的电子电荷区的内建电场分布,如图3中的实线所示在 吸收光子后跃迁到导带,其过程如图2中过程1所异质结界面处的内建电场的绝对值为47kV/mm 示,这样,在异质结的空间电荷区产生了空穴一电子从图3中我们不难看出,在该异质结中,LSMO层的 对.在异质结内建电场的作用下,在p区(LSMO)导空间电荷区,即耗尽区厚度约为30mm.薄的LSMO 带中的光生电子就会漂移到n区(SNTO),而在SNTO异质结的内建电场分布也在图3中用点线 524 http://www.wuliaccn 物理·39卷(2010年)8期
http:飋飋www.wuli.ac.cn 物理·39卷 (2010年)8期 SNTO)钙钛矿氧化物 p-n异质结.样品的制备工 艺在文献[16,17,21—23]中有详细报道.X 射线 衍射(XRD)毴-2毴扫描结果表明,我们所制备的氧 化物异质结具有很好的结晶性,并且表面非常平整. 截面高分辨透射电子显微成像(HRTEM)说明,钙 钛矿氧化物异质结的界面具有完美的排列取向.另 外,我们在室温下通过脉冲调制的电流源测试了钙 钛矿氧化物异质结的电流-电压(I-V)特性,结果 表明,异质结具有典型p-n结的整流特性,通过测 量薄膜或衬底电极之间的电压-电流特性,证实了 整流特性来源于异质结的特性. 2.1 钙钛矿氧化物异质结的纵向光电效应研究 我们 测 量 了 LSMO 层 厚 度 不 同 的 LSMO/ SNTO 异质结的纵向光电效应,测量的示意图如图 1中的插图所示[21].我们用 XeCl准分子激光束(波 长为308nm,脉宽为20ns,辐射能量为0.15mJ,单 脉冲 的 重 复 周 期 为 5 分 钟,以 避 免 热 效 应)辐 照 p灢LSMO的表面上直径为0.5mm 的圆形小区域.在 室温 下,用 500MHz的 取 样 示 波 器 (输 入 阻 抗 为 1M毟)测量并记录下 p灢LSMO 表面和 SNTO 衬底 铟电极之间的纵向光生电压.图1给出了 LSMO 层 厚度不同的 LSMO/SNTO 异质结的纵向开路光生 电压随时间的变化关系曲线.LSMO 层厚度为5个 原胞层(~2nm)、10个原胞层(~4nm)、50个原胞 层 (~20nm)和 100 个 原 胞 层 (~39nm)厚 的 LSMO/SNTO 异质结的开路电压的最大值分别为 2,13,17和21mV.开路电压的最大值随着异质结 的 LSMO 层的厚度增加而增大,其原因可以解释如 下:当 用 波 长 为 308nm 的 激 光 (~4.0eV)照 射 LSMO/SNTO 异质结时,光子能量大于异质结材料 的带隙,光子被异质结吸收.根据计算出的 LSMO 和SNTO 的吸收系数可以看出[21],一部分光子可 以透射过 LSMO 层被SNTO 衬底吸收. 经上述分析,类似我们以前报道过的[24]处理方 法,我们计算出了 LSMO/SNTO 异质结的能带结 构图(见图2(b)[21]),并在图中标出了载流子运动的 示意图.图2(a)是我们依据计算所得的能带图(图2 (b))示意画出的超薄膜的能带图(当薄膜厚度小于 耗尽区厚度时不能简单应用自洽计算方法).当能量 大于带隙 Eg 的光子照射异质结时,价带中的电子 吸收光子后跃迁到导带,其过程如图2中过程1所 示.这样,在异质结的空间电荷区产生了空穴-电子 对.在异质结内建电场的作用下,在p区(LSMO)导 带中的光 生 电 子 就 会 漂 移 到 n 区 (SNTO),而 在 图1 LSMO 层厚度不同的 LSMO/SNTO 异质结的纵向开路 光电压随时间的变化关系.插图为纵向光电效应的测量示意.图 引自文献[21] n区(SNTO)价带中的光生空穴就会漂移 到 p 区 (LSMO),其过程如图2中过程2所示.这样,光生 电流就在相反的方向产生了,光生电压在钙钛矿氧 化物p-n异质结的正向方向上产生了. 图2 超 薄 LSMO 层 (a)和 一 般 薄 LSMO 层 (b)的 LSMO/ SNTO 异质结的能带结构图和载流子运动示意图.水平轴对应 于空间电荷区的生长方向.图引自文献[21] 通过计算,得出了 LSMO/SNTO 异质结在空间 电荷区的内建电场分布,如图3 [21]中的实线所示.在 异质结界面处的内建电场的绝对值为47.1kV/mm. 从图3中我们不难看出,在该异质结中,LSMO 层的 空间电荷区,即耗尽区厚度约为30nm.薄的 LSMO/ SNTO异质结的内建电场分布也在图3中用点线示 ·524· 激光发明50周年专题
激光发明50周年专题 意表示出来对于薄膜厚度小于耗尽层厚度的体系,尔兹曼近似的泊松方程得到在求解过程中,还需 内建电场会随着LSMO层厚度减小而减小,而漂移要考虑到非平衡载流子的复合情况,在这里,我们用 电子的总量也随着LSMO层厚度减小而减小.这样 Shockley.- Read-hal复合2来近似非平衡载流子的 就导致了薄膜厚度在小于耗尽区厚度时,光生电压复合.详细的对钙钛矿氧化物异质结的横向光电效应 随着LSMO层厚度增大而增大 的动态过程求解过程请参阋文献[22] 在这里我们取LSMO层的厚度为40nm.电路 中并联一个509的外接电阻,如图4插图所示,用 XeCl准分子激光束(308nm,20ns)辐照 P-LSMO的 表面.在室温下,利用500MHz的取样示波器(输入 阻抗为1MΩ)测量并记录下 p-LSMO表面和 SNTO衬底钢电极之间的纵向光生电压 实验和理论计算得到的结果分别如图4(a)和 (b)所示.由于在钙钛矿氧化物异质结中光子的吸 图3计算得出的LSMO/SNTO异质结在空间电荷区的电场分布 收和载流子复合非常复杂,确切的相关参数很难得 图图中实线是40nm厚LSMO层IsMO/SNTO的电场分布图,虚 到,特别是量子效率A.根据我们的计算,这些参数 线是20m厚LSMO层 LSMO/SNTO的电场分布图.竖直虚线表 仅仅影响光生电压的强度.而我们仅仅关心光生电 示LSMO/SNTO异质结界面处的位置图引自文献[21] 压的动态过程,我们给出了理论计算结果和实验结 我们也研究了LSMO/SNTO异质结的纵向光果任意值的比较从图4中可以看出,理论计算和实 电效应的动态过程.纵向光电效应的测量示意图如 图4(a)中插图所示[2.假设载流子只沿着垂直于异 验得到的光生电压都在光照后40ns左右升高到最 大值,然后衰减.大约1000ns后,它们都衰减到0 质结界面的方向运动,这样,就可以用一维过程处理 理论计算得到的光生电压的动态过程和实验结果符 异质结的纵向光电效应的动态过程 合得非常好 LSMO/SNTO异质结光电效应的过程可以看 实验结果 SNTO 作为电容一电阻(RC)电路的充放电过程.如图52 所示,在LSMO/SNTO异质结中,理论计算得到的 载流子浓度分布相对于初始状态的变化过程类似于 60080010001200个RC电路的充电一放电过程.图5(a)和(b)分别 给出了电子和空穴浓度在5-20ns时间内(激光照 理论计算结果 射)的变化演化过程.由于钙钛矿氧化物异质结空间 0.02 电荷区中内建电场的作用,光生电子和空穴分别在 出001 n(x>40nm)和p(x<40mm)区聚集.这个过程可以 020040060080010001200 近似地被看作是一个电容的充电过程.图5(c)和 (d)分别给出了电子和空穴浓度在100-700ns时 图4(a)实验和(b)理论计算得到的LSMO/SNTO光电效应随间内(激光停止照射)的变化过程.由于光生载流子 时间的演化过程.激光在0ns开始照射,在20ns停止.图中曲线 通过并联电阻流出,电子和空穴的聚集量分别在n 的峰值在40ns的位置.图引自文献[22] 区和p区减少,这个过程可以近似为电容的放电过 我们用含时的一维扩散一漂移模型处理异质结程. 纵向光电效应的动态过程.在这个模型中,需要求解 在一个RC电路中,电压呈指数关系衰减 泊松方程和含时电流连续方程[.另外,由于扩散 V(r)=Voexp(-t/RC) (1) 漂移模型不能被用来描述载流子穿过异质结界面的在这里tR,C分别是时间、电阻和电容;V和V。分别 过程,理查德森热发射电流被用来处理在异质结是电容器两端的电势差和初始电势差根据(1)式,电 界面处的输运过程.理查德森热发射电流被用来作为容器两端电势差的衰减速度随R减小而增大;相应地, 求解电流连续方程的边界条件.在计算中,求解泊松对于 L SMO/SNTO异质结的光电效应,并联电阻的减 方程和含时电流连续方程的初始值可以从解耦合玻小会使异质结光电效应的响应速度增加图62给出 物理·39卷(2010年)8期 http://www,wuliaccn
物理·39卷 (2010年)8期 http:飋飋www.wuli.ac.cn 意表示出来.对于薄膜厚度小于耗尽层厚度的体系, 内建电场会随着 LSMO 层厚度减小而减小,而漂移 电子的总量也随着 LSMO 层厚度减小而减小.这样 就导致了薄膜厚度在小于耗尽区厚度时,光生电压 随着 LSMO 层厚度增大而增大. 图3 计算得出的LSMO/SNTO异质结在空间电荷区的电场分布 图.图中实线是40nm厚LSMO层 LSMO/SNTO的电场分布图,虚 线是20nm厚LSMO层 LSMO/SNTO 的电场分布图.竖直虚线表 示LSMO/SNTO异质结界面处的位置.图引自文献[21] 我们也研究了 LSMO/SNTO 异质结的纵向光 电效应的动态过程.纵向光电效应的测量示意图如 图4(a)中插图所示[22].假设载流子只沿着垂直于异 质结界面的方向运动,这样,就可以用一维过程处理 异质结的纵向光电效应的动态过程. 图4 (a)实验和(b)理论计算得到的LSMO/SNTO 光电效应随 时间的演化过程.激光在0ns开始照射,在20ns停止.图中曲线 的峰值在40ns的位置.图引自文献[22] 我们用含时的一维扩散-漂移模型处理异质结 纵向光电效应的动态过程.在这个模型中,需要求解 泊松方程和含时电流连续方程[22].另外,由于扩散- 漂移模型不能被用来描述载流子穿过异质结界面的 过程,理查德森热发射电流[25]被用来处理在异质结 界面处的输运过程.理查德森热发射电流被用来作为 求解电流连续方程的边界条件.在计算中,求解泊松 方程和含时电流连续方程的初始值可以从解耦合玻 尔兹曼近似的泊松方程[26]得到.在求解过程中,还需 要考虑到非平衡载流子的复合情况,在这里,我们用 Shockley灢Read灢Hall复合[27]来近似非平衡载流子的 复合.详细的对钙钛矿氧化物异质结的横向光电效应 的动态过程求解过程请参阅文献[22]. 在这里我们取 LSMO 层的厚度为40nm.电路 中并联一个50毟 的外接电阻,如图4插图所示.用 XeCl准分子激光束(308nm,20ns)辐照p灢LSMO 的 表面.在室温下,利用500MHz的取样示波器(输入 阻抗 为 1M毟)测 量 并 记 录 下 p灢LSMO 表 面 和 SNTO 衬底铟电极之间的纵向光生电压. 实验和理论计算得到的结果分别如图4(a)和 (b)所示.由于在钙钛矿氧化物异质结中光子的吸 收和载流子复合非常复杂,确切的相关参数很难得 到,特别是量子效率毬.根据我们的计算,这些参数 仅仅影响光生电压的强度.而我们仅仅关心光生电 压的动态过程,我们给出了理论计算结果和实验结 果任意值的比较.从图4中可以看出,理论计算和实 验得到的光生电压都在光照后40ns左右升高到最 大值,然后衰减.大约1000ns后,它们都衰减到0. 理论计算得到的光生电压的动态过程和实验结果符 合得非常好. LSMO/SNTO 异质结光电效应的过程可以看 作为电容-电阻(RC)电路的充放电过程.如图5 [22] 所示,在 LSMO/SNTO 异质结中,理论计算得到的 载流子浓度分布相对于初始状态的变化过程类似于 一个 RC电路的充电-放电过程.图5(a)和(b)分别 给出了电子和空穴浓度在5—20ns时间内(激光照 射)的变化演化过程.由于钙钛矿氧化物异质结空间 电荷区中内建电场的作用,光生电子和空穴分别在 n(x>40nm)和p(x<40nm)区聚集.这个过程可以 近似地被看作是一个电容的充电过程.图 5(c)和 (d)分别给出了电子和空穴浓度在100—700ns时 间内(激光停止照射)的变化过程.由于光生载流子 通过并联电阻流出,电子和空穴的聚集量分别在 n 区和p区减少,这个过程可以近似为电容的放电过 程. 在一个 RC电路中,电压呈指数关系衰减: V(t)=V0exp(-t/RC) , (1) 在这里t,R,C 分别是时间、电阻和电容;V 和V0 分别 是电容器两端的电势差和初始电势差.根据(1)式,电 容器两端电势差的衰减速度随R 减小而增大;相应地, 对于LSMO/SNTO异质结的光电效应,并联电阻的减 小会使异质结光电效应的响应速度增加.图6 [22]给出 ·525· 激光发明50周年专题
激光发明50周年专题 80×104)花m内电度)a32m内空浓度变化]LSMO层为500m的LSMO/SNTO异质结光电 效应的影响(激光脉冲宽度为0.02ns,并联电阻为 4.0xX10 0.2Ω).图T21是我们计算得出的不同载流子迁移 -20ns 率(即光子能量不同)对LSMO/SNTO异质结光电 )在10000内电子浓度变化小在100-700六漱度变化 效应的影响.由于更高的光子能量对应于更高的载 N80×10 流子迁移率,光子能量的增大间接地表示了载流子 4.0×101 迁移率的增大,载流子迁移率增大就会导致光生载 700ns 流子从表面到空间电荷区扩散时间的减小.对于一 个RC电路来说,这就意味着电容器充电时间减小. 因此,在图7中,当载流子迁移率增大10倍和100 图5在光电效应中载流子浓度变化的演化过程.(a)和(b)分别 显示了在激光照射的5-20ns时间内电子和空穴浓度变化的演 倍时,光生电压上升时间分别从0.9ns减小到 化过程.(c)和(d)分别显示了在激光停止照射的100-700ns时 0.49ns和0.23ns.也就是说,光子能量越高,光生电 间内和光生电压衰减过程中电子和空穴浓度变化的演化过程. 压上升时间越小.同时,载流子迁移率的增大使异质 图引自文献[22] 结充电时间减小,在充电时间内,流出电路的载流子 了计算得出的在并联电阻大小不同的情况下,ISMO减小;相对应,光生电压峰值越高,如图7所示,这就 SNTO异质结的光生电压和时间的依赖关系光生电意味着增大光子能量会增加LSMO/SNTO异质结 压的峰值随并联电阻减小而减小,这是因为在光照过的灵敏度,并且,我们发现,光电效应的衰减和载流 程中,更多的光生载流子通过更小的并联电阻流走.并子迁移率之间没有很强的关系,因为载流子迁移率 且,随着并联电阻减小,光生电压的上升时间变小,如的增大并没有改变异质结的电容.因此我们预测, 图6所示这是因为LSMO/SNTO异质结在并联电阻用高能量的光子来照射异质结激发光生载流子时 小时更快地达到光电饱和状态,这种光电饱和状态发可以提高LSMO/SNTO异质结的光电效应速度 生在流出电路的载流子和产生的光生载流子平衡的时同时也可以提高光电效应的灵敏度,我们也可以从 候因此,并联电阻减小导致了光电效应速度增大和光另一方面考虑,用高载流子迁移率的材料构成的异 电灵敏度减小. 质结也可以提高光电效应速度和灵敏度 载流子迁移率没变化 载流子迁移率增大100倍 切 0.15 激光 0.0 0001激光照射在00as4 图7计算得到的不同载流子浓度的LSMO/SNTO异质结的 图6计算得出的在并联电阻大小不同情况下,LSMO/SNTO 光电效应和时间的依赖关系.激光在ons开始照射,在0.02ns 异质结的光生电压和时间的依赖关系.插图显示了在0-30ns 停止.图引自文献[22 时间内光电压上升和时间的依赖关系,光电压的峰值用十字符 2.2钙钛矿氧化物异质结的横向光电效应研究 号表示图引自文献[22] 测量LSMO/SNTO异质结横向光电效应的示 如果照射到异质结上的光子能量足够高,除去意图如图8中的插图所示.用XeC准分子激光束 产生激发电子一空穴对的能量,过剩的能量会成为(波长为308m,脉宽为20ns,辐射能量为0.15mJ, 动能转移给载流子,那么电子和空穴的迁移率都会单脉冲的重复周期为5分钟以避免热效应)辐照 增加,为了研究光子能量对LSMO/SNTO异质结 p-LSMO的表面上直径为0.5mm的圆形小区域在 光电效应的影响,我们也计算了光子能量的提高对室温下,利用500M1Hz的取样示波器(输入阻抗为 http://www.wuliaccn 物理·39卷(2010年)8期
http:飋飋www.wuli.ac.cn 物理·39卷 (2010年)8期 图5 在光电效应中载流子浓度变化的演化过程.(a)和(b)分别 显示了在激光照射的5—20ns时间内电子和空穴浓度变化的演 化过程.(c)和(d)分别显示了在激光停止照射的100—700ns时 间内和光生电压衰减过程中电子和空穴浓度变化的演化过程. 图引自文献[22] 了计算得出的在并联电阻大小不同的情况下,LSMO/ SNTO异质结的光生电压和时间的依赖关系.光生电 压的峰值随并联电阻减小而减小,这是因为在光照过 程中,更多的光生载流子通过更小的并联电阻流走.并 且,随着并联电阻减小,光生电压的上升时间变小,如 图6所示.这是因为LSMO/SNTO异质结在并联电阻 小时更快地达到光电饱和状态,这种光电饱和状态发 生在流出电路的载流子和产生的光生载流子平衡的时 候.因此,并联电阻减小导致了光电效应速度增大和光 电灵敏度减小. 图6 计算得出的在并联电阻大小不同情况下,LSMO/SNTO 异质结的光生电压和时间的依赖关系.插图显示了在 0—30ns 时间内光电压上升和时间的依赖关系,光电压的峰值用十字符 号表示.图引自文献[22] 如果照射到异质结上的光子能量足够高,除去 产生激发电子-空穴对的能量,过剩的能量会成为 动能转移给载流子,那么电子和空穴的迁移率都会 增加.为了研究光子能量对 LSMO/SNTO 异质结 光电效应的影响,我们也计算了光子能量的提高对 LSMO 层为 500nm 的 LSMO/SNTO 异质结 光 电 效应的影响(激光脉冲宽度为0.02ns,并联电阻为 0.2毟).图7 [22]是我们计算得出的不同载流子迁移 率(即光子能量不同)对 LSMO/SNTO 异质结光电 效应的影响.由于更高的光子能量对应于更高的载 流子迁移率,光子能量的增大间接地表示了载流子 迁移率的增大.载流子迁移率增大就会导致光生载 流子从表面到空间电荷区扩散时间的减小.对于一 个 RC电路来说,这就意味着电容器充电时间减小. 因此,在图7中,当载流子迁移率增大10倍和100 倍时,光 生 电 压 上 升 时 间 分 别 从 0.9ns 减 小 到 0.49ns和0.23ns.也就是说,光子能量越高,光生电 压上升时间越小.同时,载流子迁移率的增大使异质 结充电时间减小,在充电时间内,流出电路的载流子 减小;相对应,光生电压峰值越高,如图7所示.这就 意味着增大光子能量会增加 LSMO/SNTO 异质结 的灵敏度.并且,我们发现,光电效应的衰减和载流 子迁移率之间没有很强的关系,因为载流子迁移率 的增大并没有改变异质结的电容.因此我们预测,当 用高能量的光子来照射异质结激发光生载流子时, 可以提高 LSMO/SNTO 异质结的光电效应速度, 同时也可以提高光电效应的灵敏度.我们也可以从 另一方面考虑,用高载流子迁移率的材料构成的异 质结也可以提高光电效应速度和灵敏度. 图7 计算得到的不同载流子浓度的 LSMO/SNTO 异质结的 光电效应和时间的依赖关系.激光在0ns开始照射,在0.02ns 停止.图引自文献[22] 2.2 钙钛矿氧化物异质结的横向光电效应研究 测量 LSMO/SNTO 异质结横向光电效应的示 意图如图8 [16]中的插图所示.用XeCl准分子激光束 (波长为308nm,脉宽为20ns,辐射能量为0.15mJ, 单脉冲的重复周期为 5 分钟以避免热效应)辐 照 p灢LSMO的表面上直径为0.5mm 的圆形小区域.在 室温下,利用500MHz的取样示波器(输入阻抗为 ·526· 激光发明50周年专题
激光发明50周年专题 IMΩ)测量并记录下 P-LSMO表面的亦大于零(小于零).并且当光斑靠近B或A时,信 A(x=-3mm)、B(x=3mm)铟电极之间的横向光号将会变得更强.根据图8(a),我们可以看出LPV 生电压VB,n-SNTO表面的D(x=-3mm)、的一些重要特征:(1)经过中点(x=0)时,LPV的 E(x=3mm)铟电极之间的横向光生电压V,我们极性发生反转;(2)当激光光斑位于两接触电极之 特别注意始终保持电极不被激光照射,以防任何有间时,随着激光光斑同两电极连线中点距离的增加 关电接触效应的产生.图8(a)给出了LSMO表面瞬LPⅤ的绝对值呈现单调递增的趋势;(3)当激光光 态信号LPⅤ最大值VB、V相对于激光入射点位斑靠近两电极其中之一时,LPV的绝对值达到最大 置(x)的图像.我们可以清楚地发现,由激光脉冲诱值;(4)当激光光斑的位置越过电极时,LPV的振 导的瞬态LPV依赖于x方向激光入射点的位置,幅将单调递减 在随着激光入射位置由一个电极向另一个电极移动 根据传统半导体p-n结的经典LPV理论 过程中,瞬态LPV的符号会发生反转,并且符号反由于受到p-n结界面附近空间电荷区中内建电场 转的位置出现在两电极的中心(x=0)处 的作用,导致激光诱导产生的多数载流子分别被隔 离到p区和n区,从而使得p区、n区中靠近激光入 射位置处的区域分别呈现出高电势、低电势.基于以 上考虑,p区测量的 LPV-VBA应该与n区中相应的 LPV-VE的符号相反.但是图8(a)所反映的情况恰 恰相反:对于LSMO/ SNTO P-n异质结,p区测量 的 LPV-V的符号同n区中相应的 LPV-V的符 号相同 La, ssr, MnO 我们应该考虑传统半导体中关于LPV经典模 SNTO 型的适用条件,也就是说,只有在激光诱导产生的非 平衡载流子数量很小的情况下,才能考虑由激光诱 导多数载流子所导致的LPV效应.然而在我们的实 验中所使用的激光源是能量密度为0.76mJ/mm2, 持续时间为20ns的XeCl准分子激光.因此,由激光 诱导所产生的非平衡载流子的数量可以同氧化物半 导体中本征载流子数量相比,甚至还大于本征载流 子数量,从而由激光诱导产生的电子、空穴均会影响 SNTO LPV.电子、空穴迁移率的差异无疑是LSMO/ SNTO异质结产生LPV的主导因素.电子和空穴 迁移率的差异使得电子空穴对发生分离,从而导致 电子在远离激光入射区域以及空穴在靠近激光入射 图8激光由LSMO(a)、SNTO(b)照射LSMO/SNTO异质结 区域的瞬态分布,即丹倍效应起主导作用.换言之, 峰值横向光电压VB和VB随着x方向激光人射位置的变 靠近激光入射的区域具有更高的电势.这也是p-n 关系图.插图为LPV的测量示意,A(-3mm),B(3mm), 异质结两侧产生瞬态电压的本质原因.通过以上的 D(-3mm)和E(3mm)表示电极.图引自文献[16 分析,我们就能比较清楚地理解,当激光入射到两电 如图8(a)所示,为了更细致地研究LPV同激极之间,并且随着激光入射点同两电极连线中点的 光入射位置的关系,我们使激光的光斑在 p-LSMO距离(x)的增加,LPV的绝对值单调递增的原因了 侧沿着一对接触电极A(-3mm)和B(3mm)进越大,越多电子超前于空穴,LPV的绝对值越大 行扫描;相应地,在n-SNTO一侧沿着另一对接触这也就是当入射激光靠近B(或E)时,VB(或VmD) 电极D(-3mm)和E(3mm)进行扫描.当激光光斑大于零,靠近A(或D)时,VB(或Vm)小于零的原 位于p-ISMO一侧A和B中间时,由于扩散效应的因.基于扩散效应,可以很好地解释我们所观测到的 对称性,致使横向光生电压VB,Vs等于零.如果光LPⅤ具有相同符号现象(同正或者同负).由于光生 斑位置x为正值(负值)时,对应的VB(或者VE)电子、空穴分布于氧化物p-n结两侧,所以从激光 物理·39卷(2010年)8期 http://www,wuliaccn
物理·39卷 (2010年)8期 http:飋飋www.wuli.ac.cn 1M毟) 测 量 并 记 录 下 p灢LSMO 表 面 的 A(x=-3mm)、B(x=3mm)铟电极之间的横向光 生电 压 VBA,n灢SNTO 表 面 的 D (x= -3mm)、 E(x=3mm)铟电极之间的横向光生电压VED.我们 特别注意始终保持电极不被激光照射,以防任何有 关电接触效应的产生.图8(a)给出了LSMO 表面瞬 态信号 LPV 最大值Vm BA、Vm ED 相对于激光入射点位 置(x)的图像.我们可以清楚地发现,由激光脉冲诱 导的瞬态 LPV 依赖于x 方向激光入射点的位置, 在随着激光入射位置由一个电极向另一个电极移动 过程中,瞬态 LPV 的符号会发生反转,并且符号反 转的位置出现在两电极的中心(x =0)处. 图8 激光由 LSMO(a)、SNTO(b)照射 LSMO/SNTO 异质结, 峰值横向光电压V m BA 和V m ED 随着x 方向激光入射位置的变化 关系图.插 图 为 LPV 的 测 量 示 意.A (-3mm),B (3mm), D (-3mm)和 E (3mm)表示电极.图引自文献[16] 如图8(a)所示,为了更细致地研究 LPV 同激 光入射位置的关系,我们使激光的光斑在 p灢LSMO 一侧沿着一对接触电极 A (-3mm)和 B (3mm)进 行扫描;相应地,在 n灢SNTO 一侧沿着另一对接触 电极 D(-3mm)和 E (3mm)进行扫描.当激光光斑 位于p灢LSMO 一侧 A 和B中间时,由于扩散效应的 对称性,致使横向光生电压VBA,VED等于零.如果光 斑位置x 为正值(负值)时,对应的VBA (或者VED) 亦大于零(小于零).并且当光斑靠近 B 或 A 时,信 号将会变得更强.根据图8(a),我们可以看出 LPV 的一些重要特征:(1)经过中点(x=0)时,LPV 的 极性发生反转;(2)当激光光斑位于两接触电极之 间时,随着激光光斑同两电极连线中点距离的增加, LPV 的绝对值呈现单调递增的趋势;(3)当激光光 斑靠近两电极其中之一时,LPV 的绝对值达到最大 值;(4)当激光光斑的位置越过电极时,LPV 的振 幅将单调递减. 根据传统半导体p-n结的经典 LPV 理论[28]: 由于受到p-n结界面附近空间电荷区中内建电场 的作用,导致激光诱导产生的多数载流子分别被隔 离到p区和n区,从而使得p区、n区中靠近激光入 射位置处的区域分别呈现出高电势、低电势.基于以 上考虑,p区测量的 LPV灢Vm BA 应该与 n区中相应的 LPV灢Vm ED的符号相反.但是图8(a)所反映的情况恰 恰相反:对于 LSMO/SNTOp-n异质结,p区测量 的 LPV灢Vm BA 的符号同 n区中相应的 LPV灢Vm ED 的符 号相同. 我们应该考虑传统半导体中关于 LPV 经典模 型的适用条件,也就是说,只有在激光诱导产生的非 平衡载流子数量很小的情况下,才能考虑由激光诱 导多数载流子所导致的 LPV 效应.然而在我们的实 验中所使用的激光源是能量密度为0.76mJ/mm2, 持续时间为20ns的 XeCl准分子激光.因此,由激光 诱导所产生的非平衡载流子的数量可以同氧化物半 导体中本征载流子数量相比,甚至还大于本征载流 子数量,从而由激光诱导产生的电子、空穴均会影响 LPV.电 子、空 穴 迁 移 率 的 差 异 无 疑 是 LSMO/ SNTO 异质结产生 LPV 的主导因素.电子和空穴 迁移率的差异使得电子空穴对发生分离,从而导致 电子在远离激光入射区域以及空穴在靠近激光入射 区域的瞬态分布,即丹倍效应起主导作用.换言之, 靠近激光入射的区域具有更高的电势.这也是p-n 异质结两侧产生瞬态电压的本质原因.通过以上的 分析,我们就能比较清楚地理解,当激光入射到两电 极之间,并且随着激光入射点同两电极连线中点的 距离(x)的增加,LPV 的绝对值单调递增的原因了. x越大,越多电子超前于空穴,LPV 的绝对值越大. 这也就是当入射激光靠近 B(或 E)时,VBA (或VED) 大于零,靠近 A(或 D)时,VBA (或VED)小于零的原 因.基于扩散效应,可以很好地解释我们所观测到的 LPV 具有相同符号现象(同正或者同负).由于光生 电子、空穴分布于氧化物p-n结两侧,所以从激光 ·527· 激光发明50周年专题
激光发明50周年专题 入射处扩散的电子、空穴迁移率的差异导致p-n电场大小的局限性,未被电场分开的载流子直接沿 结两侧的LPV具有相同的符号(同正或者同负).需横向方向扩散,导致丹倍效应过程的出现.由于丹倍 要特别强调的一点是,只有在强激光的条件下才能效应和传统横向光电效应的竞争,在异质结的n区, 观测到由丹倍效应所引起的LPV现象.308mm激光个横向调制光生电压可以从理论上得到 的光子能量(≈4.03eV)要高于ISMO(≈1.0eV)和 我们用二维含时的漂移一扩散模型[来对异 SNTO≈3.2eV)的带隙宽度,从而在 P-LSMO和n-质结的横向光电效应的动态过程进行处理.在这个 SNTO两端均能产生电子一空穴对(我们所进行的模型中,需要求解泊松方程和载流子连续方程[2 吸收测量验证了激光强度同p-LSMO穿透深度之间实际上求解泊松方程和载流子连续方程非常困难 呈现衰减的关系)同时,我们的测量结果也表明,在异质结的宽度大约为10-2m,而厚度只有10-m, 掺杂钙钛矿材料所构成的异质结中,电子、空穴迁移差了5个数量级.数量级上这么大的差别造成了在 率的差别很大 计算泊松方程时巨大的舍入误差.为了解决这个问 为了验证以上所阐述的LPV效应的成因,我们题,我们把泊松方程分解为横轴和纵轴方向上两个 了进一步的测量:让激光从另一端— n-SNTO独立的方程.二维电流连续方程也可以分解为两组 入射,测量结果亦可以通过以上的理论加以分析,如 维方程.在求解过程中还需要考虑到非平衡载流 图8(b)所示.从图8(a),(b)中可以看出,除了丹倍子的复合情况,用 Shockley-Read-Hall复合[2来近 效应以外,我们还可以发现其他一些现象:V都小似非平衡载流子的复合.基于计算横向光电效应的 于V,也就是说,在异质结中,p型材料比n型材方法[31:3),二维含时的漂移一扩散方程可以解 料具有更大的横向光生电压,这说明传统半导体理出.详细的对钙钛矿氧化物异质结的横向光电效应 论中的经典LPⅤ模型(多数载流子诱导LPV)在氧的动态过程求解过程请参阅文献[17] 化物p-n异质结中仍然有所体现.通过激光辐照 图9(a)和(b)切分别给出了实验和理论计算得 异质结两侧所产生的相同符号的LPV(V噩或者出的LSMO/SNTO异质结中峰值横向光生电压VB VBA),说明热效应对横向光生电压的影响不显著,和V随着x方向激光入射位置的变化关系图.从图 因为当激光照射异质结两侧时,由于热效应所导致中可以看出,计算结果和实验结果非常一致电子、空 的温度梯度相反且垂直于p-n结界面,所以由热穴的散射过程以及温度分布应该都是瞬时的且不相 效应所引起的LPV应该是相反的2 同的,因此,平衡态的参数和非平衡态的参数是不同 为了进一步证实氧化物异质结LPV效应的成的.为了简化我们用平衡态的迁移率和扩散率来做 因,我们也对SNTO衬底的LPV效应进行了测近似.从计算结果和实验结果的一致性可以看出,我 量[123.通过比较氧化物异质结LSMO/SNTO的们这种近似在目前的激发时间尺度上是合理的 LPV效应和SNTO衬底的LPV效应,我们发现在 在上述的计算中,热效应被忽略了,虽然它应该 衬底上生长了氧化物薄膜后,其丹倍光电效应分别对测量有些影响.基于我们的实验观测,我们相信热 比原来的衬底提高了一个数量级.导致异质结中具效应和光电效应相比非常小.如果热效应占主导地 有更大的LPV效应的一个可能主要的原因是,由于位,由于热梯度,在LSMO一侧的空穴和在SNTO 电子从p区向n区的转移,在氧化物异质结的界面侧的电子都应该向远离激光光斑的地方移动,这 区域存在着更多的载流子[0 会导致LSMO一侧的横向光电压的符号和SNTO 前面已经提到了丹倍效应在LSMO/SNTO异 侧的正好相反,但是我们没有观测到这种现象.并 质结的横向光电效应中占主导地位,然而,系统中从且,当用532nm和632.8nm的激光辐照 Srtio3单 传统的横向光电效应占主导地位到丹倍效应占主导晶时,并没有看到光电信号(激光的能量小于晶体的 地位是如何变化的呢?我们通过解含时二维漂移一带隙) 扩散方程,来揭示当入射激光的强度从小到大变化 图101给出了计算出的在不同激光能量强度 时,系统是如何从传统的横向光电效应占主导地位下LSMO/SNTO异质结的电势能分布图.随着激 变化到丹倍效应占主导地位[7.当入射激光的强度光强度的增大,在LSMO一侧的电势能变大.当激 很小时,大多数光生电子和空穴被内建电场分开,从光强度小于0.015m时,两边的电子势能分布是相 辐照区分别扩散到n区和p区,和传统的横向光电反的;而当激光强度大于0.015mJ时,两边的电子 效应过程一致.随着入射激光强度的增大,由于内建势能分布则变为相同了 http://www.wuliaccn 物理·39卷(2010年)8期
http:飋飋www.wuli.ac.cn 物理·39卷 (2010年)8期 入射处扩散的电子、空穴迁移率的差异导致 p-n 结两侧的 LPV 具有相同的符号(同正或者同负).需 要特别强调的一点是,只有在强激光的条件下才能 观测到由丹倍效应所引起的 LPV 现象.308nm 激光 的光子能量(曋4.03eV)要高于 LSMO (曋1.0eV)和 SNTO(曋3.2eV)的带隙宽度,从而在 p灢LSMO 和 n灢 SNTO 两端均能产生电子-空穴对(我们所进行的 吸收测量验证了激光强度同p灢LSMO穿透深度之间 呈现衰减的关系).同时,我们的测量结果也表明,在 掺杂钙钛矿材料所构成的异质结中,电子、空穴迁移 率的差别很大. 为了验证以上所阐述的 LPV 效应的成因,我们 作了进一步的测量:让激光从另一端———n灢SNTO 入射,测量结果亦可以通过以上的理论加以分析,如 图8(b)所示.从图8(a),(b)中可以看出,除了丹倍 效应以外,我们还可以发现其他一些现象:Vm ED 都小 于Vm BA,也就是说,在异质结中,p型材料比 n型材 料具有更大的横向光生电压,这说明传统半导体理 论中的经典 LPV 模型(多数载流子诱导 LPV)在氧 化物p-n异质结中仍然有所体现.通过激光辐照 异质结 两 侧 所 产 生 的 相 同 符 号 的 LPV(Vm ED 或 者 Vm BA),说明热效应对横向光生电压的影响不显著, 因为当激光照射异质结两侧时,由于热效应所导致 的温度梯度相反且垂直于 p-n结界面,所以由热 效应所引起的 LPV 应该是相反的[29]. 为了进一步证实氧化物异质结 LPV 效应的成 因,我们 也 对 SNTO 衬 底 的 LPV 效 应 进 行 了 测 量[16,23].通过比较氧化物异质结 LSMO/SNTO 的 LPV 效应和SNTO 衬底的 LPV 效应,我们发现在 衬底上生长了氧化物薄膜后,其丹倍光电效应分别 比原来的衬底提高了一个数量级.导致异质结中具 有更大的 LPV 效应的一个可能主要的原因是,由于 电子从p区向n区的转移,在氧化物异质结的界面 区域存在着更多的载流子[30]. 前面已经提到了丹倍效应在 LSMO/SNTO 异 质结的横向光电效应中占主导地位,然而,系统中从 传统的横向光电效应占主导地位到丹倍效应占主导 地位是如何变化的呢? 我们通过解含时二维漂移- 扩散方程,来揭示当入射激光的强度从小到大变化 时,系统是如何从传统的横向光电效应占主导地位 变化到丹倍效应占主导地位[17].当入射激光的强度 很小时,大多数光生电子和空穴被内建电场分开,从 辐照区分别扩散到n区和p区,和传统的横向光电 效应过程一致.随着入射激光强度的增大,由于内建 电场大小的局限性,未被电场分开的载流子直接沿 横向方向扩散,导致丹倍效应过程的出现.由于丹倍 效应和传统横向光电效应的竞争,在异质结的n区, 一个横向调制光生电压可以从理论上得到. 我们用二维含时的漂移-扩散模型[26]来对异 质结的横向光电效应的动态过程进行处理.在这个 模型中,需要求解泊松方程和载流子连续方程[22]. 实际上求解泊松方程和载流子连续方程非常困难. 异质结的宽度大约为10-2m,而厚度只有10-7m, 差了5个数量级.数量级上这么大的差别造成了在 计算泊松方程时巨大的舍入误差.为了解决这个问 题,我们把泊松方程分解为横轴和纵轴方向上两个 独立的方程.二维电流连续方程也可以分解为两组 一维方程.在求解过程中还需要考虑到非平衡载流 子的复合情况,用 Shockley灢Read灢Hall复合[27]来近 似非平衡载流子的复合.基于计算横向光电效应的 方法[22,31,32],二 维 含 时 的 漂 移 - 扩 散 方 程 可 以 解 出.详细的对钙钛矿氧化物异质结的横向光电效应 的动态过程求解过程请参阅文献[17]. 图9(a)和(b)[17]分别给出了实验和理论计算得 出的 LSMO/SNTO 异质结中峰值横向光生电压Vm BA 和Vm ED随着x方向激光入射位置的变化关系图.从图 中可以看出,计算结果和实验结果非常一致.电子、空 穴的散射过程以及温度分布应该都是瞬时的且不相 同的,因此,平衡态的参数和非平衡态的参数是不同 的.为了简化,我们用平衡态的迁移率和扩散率来做 近似.从计算结果和实验结果的一致性可以看出,我 们这种近似在目前的激发时间尺度上是合理的. 在上述的计算中,热效应被忽略了,虽然它应该 对测量有些影响.基于我们的实验观测,我们相信热 效应和光电效应相比非常小.如果热效应占主导地 位,由于热梯度,在 LSMO 一侧的空穴和在 SNTO 一侧的电子都应该向远离激光光斑的地方移动,这 会导致 LSMO 一侧的横向光电压的符号和 SNTO 一侧的正好相反,但是我们没有观测到这种现象.并 且,当用532nm 和632.8nm 的激光辐照 SrTiO3 单 晶时,并没有看到光电信号(激光的能量小于晶体的 带隙). 图10 [17]给出了计算出的在不同激光能量强度 下 LSMO/SNTO 异质结的电势能分布图.随着激 光强度的增大,在 LSMO 一侧的电势能变大.当激 光强度小于0.015mJ时,两边的电子势能分布是相 反的;而当激光强度大于0.015mJ时,两边的电子 势能分布则变为相同了. ·528· 激光发明50周年专题
激光发明50周年专题 40(a) 这样,在这个区域,离中心越远的地方,两边的电势 能就越小.然而在远离中心的区域[(-7.5mm, 2.0mm)和(2.0mm,7.5mm)],载流子浓度小, 丹倍效应小,传统的横向光电效应占主导地位.我们 的计算结果将传统LPV效应和 Denber效应统一到 了漂移一扩散模型中 球冲激光能量 0.5 + 激光光点位置/r 图9(a)实验测得的和(b)理论计算的LSMO/SNTO异质结中 峰值横向光电压VB和V随着x方向激光入射位置的变化关 1.0 系图.插图:LPV测量示意图.图引自文献[17] 中0.8 脉冲激光能量 0.030m 2 图11理论计算得到的在不同激光能量强度下在 LSMO一侧(a)和在SNTO一侧(b)的LPV.插图:LPV 测量示意图.图引自文献[17] 2 3小结和展望 横轴位置/r 图10理论计算得到在不同激光能量强度下LSMO/SNTO异 首先,我们研究了LSMO/SNTO异质结的 质结在LSMO一侧(a)和在SNTO一侧(b)时的电势能分布图 插图:LPV测量示意图图引自文献[17] LSMO层厚度对其光电效应的影响.LSMO/SNTO 异质结的光生电压随着LSMO层厚度增大而增大, 是因为在薄膜厚度小于或等于界面耗尽区厚度时, 图11给出了在不同激光能量强度下计算得 界面空间电荷区内建电场随着LSMO层厚度增大 出的LPv.从图11可以看出,当激光强度等于临界而增大,同时漂移电子的总量也随着LSMO层厚度 值(0.015mJ)时,计算出的LPV在 D-SNTO一侧的增大而增大,接着通过对含时的漂移一扩散方程的 LPV显示了可调制行为相应的实验应该非常值得自洽求解,揭示了钙钛矿氧化物异质结纵向光电效 期待.这种横向可调制的LPV效应可以用传统横向应的动态过程.理论计算结果显示,在电路中减小并 光电效应和丹倍效应的竞争来解释在临界激光强联电阻,可以提高光电效应响应速度,但却降低了光 度(.015mJ)辐照下,丹倍效应和传统的横向光电电效应响应灵敏度:并且,增加光子能量导致光生载 效应是可比拟的,它们中的任何一种效应都不占主流子迁移率增大,可以同时提高光电效应响应速度 导作用.在图10靠近激光辐照中心区域和光电效应响应灵敏度,这些结果应当对理解复杂 (-2.0mm,2.0mm)内,由于激光辐照非常强,载钙钛矿氧化物异质结的光电效应非常有帮助.我们 流子浓度很大,丹倍效应比传统的横向光电效应大.也期待着钙钛矿氧化物异质结在未来的微电子器件 物理·39卷(2010年)8期 http://www,wuliaccn
物理·39卷 (2010年)8期 http:飋飋www.wuli.ac.cn 图9 (a)实验测得的和(b)理论计算的LSMO/SNTO 异质结中 峰值横向光电压VmBA和VmED随着x方向激光入射位置的变化关 系图.插图:LPV 测量示意图.图引自文献[17] 图10 理论计算得到在不同激光能量强度下 LSMO/SNTO 异 质结在 LSMO 一侧(a)和在SNTO 一侧(b)时的电势能分布图. 插图:LPV 测量示意图.图引自文献[17] 图11 [17]给出了在不同激光能量强度下计算得 出的 LPV.从图11可以看出,当激光强度等于临界 值(0.015mJ)时,计算出的 LPV 在n灢SNTO 一侧的 LPV 显示了可调制行为.相应的实验应该非常值得 期待.这种横向可调制的 LPV 效应可以用传统横向 光电效应和丹倍效应的竞争来解释.在临界激光强 度 (0.015mJ)辐照下,丹倍效应和传统的横向光电 效应是可比拟的,它们中的任何一种效应都不占主 导 作 用.在 图 10 靠 近 激 光 辐 照 中 心 区 域 (-2.0mm,2.0mm)内,由于激光辐照非常强,载 流子浓度很大,丹倍效应比传统的横向光电效应大. 这样,在这个区域,离中心越远的地方,两边的电势 能就越 小.然 而 在 远 离 中 心 的 区 域 [(-7.5mm, -2.0mm)和(2.0mm,7.5mm)],载流子浓度小, 丹倍效应小,传统的横向光电效应占主导地位.我们 的计算结果将传统LPV 效应和Denber效应统一到 了漂移-扩散模型中. 图11 理 论 计 算 得 到 的 在 不 同 激 光 能 量 强 度 下 在 LSMO 一侧(a)和在SNTO 一侧(b)的 LPV.插图:LPV 测量示意图.图引自文献[17] 3 小结和展望 首先,我 们 研 究 了 LSMO/SNTO 异 质 结 的 LSMO 层厚度对其光电效应的影响.LSMO/SNTO 异质结的光生电压随着 LSMO 层厚度增大而增大, 是因为在薄膜厚度小于或等于界面耗尽区厚度时, 界面空间电荷区内建电场随着 LSMO 层厚度增大 而增大,同时漂移电子的总量也随着 LSMO 层厚度 增大而增大.接着,通过对含时的漂移-扩散方程的 自洽求解,揭示了钙钛矿氧化物异质结纵向光电效 应的动态过程.理论计算结果显示,在电路中减小并 联电阻,可以提高光电效应响应速度,但却降低了光 电效应响应灵敏度;并且,增加光子能量导致光生载 流子迁移率增大,可以同时提高光电效应响应速度 和光电效应响应灵敏度.这些结果应当对理解复杂 钙钛矿氧化物异质结的光电效应非常有帮助.我们 也期待着钙钛矿氧化物异质结在未来的微电子器件 ·529· 激光发明50周年专题