你是否曾想过？缺陷也可以有益于光电器件？

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比利时根特大学的Yu-Hao Deng （邓玉豪）通过对光电器件和缺陷的机理进行深入的理解和分析，阐述了缺陷也是可以被利用来提高光电器件的性能的，并且基于缺陷的有益利用，实现了光电探测器创记录的增益和灵敏度。

背景介绍

光电器件，比如激光器、发光二极管、光电探测器/传感器、太阳能电池等，在过去几十年里彻底改变了我们的生活方式，也成为我们现代化生活的基石。在光电子学的快速发展中，缺陷通常被认为是限制器件性能提高的关键因素之一。迄今为止，缺陷通常被认为对光电子器件有害，大部分研究工作都集中在材料中缺陷的钝化上。因此，缺陷是否对光电子器件有益呢？这是一个有趣的科学与哲学问题。

研究出发点

鉴于此，比利时根特大学的Yu-Hao Deng （邓玉豪）于Advanced Sensor Research发表文章，通过对光电器件和缺陷的机理进行深入的理解和分析，阐述了缺陷也是可以被利用来提高光电器件的性能的，并且基于缺陷的有益利用，实现了光电探测器创记录的增益和灵敏度。

图文解析

首先作者阐述了通常情况缺陷有害的几种情况。如图1A所示，半导体带隙内电子态的缺陷会捕获以及困住电子或空穴。被困住的载流子会与相反的载流子相互湮灭或复合，并诱发非辐射复合，这被认为是太阳能电池中的重要损耗机制。图1B展示另外一种有害的影响，载流子传输也受到缺陷的影响，半导体中的缺陷会破坏晶体结构的周期性和/或形成电荷中心，导致自由载流子的散射。这种有害的散射会降低半导体的载流子迁移率（μ）。此外，如图1C所示，由空位和间隙引起的缺陷在半导体薄膜中引入了离子迁移通道，这已被证明是钙钛矿材料的化学降解以及离子迁移的重要诱导因素。

图1. 缺陷对半导体光电器件有害的影响。

相比上述大家普遍认为缺陷是有害的影响不同，随后作者提出在光电探测器中，光电导的增益可以让缺陷发挥积极的影响。光电探测器中的光电导增益（G）是光电器件放大光子的能力，因此在高灵敏度传感器和电子放大电路中，具有高增益的光电探测器至关重要。光电导增益（G）定义为单位时间内吸收的光子所产生的载流子数量，等于光子产生的载流子寿命与载流子传输时间的比值。传输时间等于d²/μV，其中d是活性层的厚度，V是施加的外部电压。光电子器件中的增益可以表示为：

其中，N_e和 N_p分别是收集到的载流子和吸收的光子数量，τ 是光子产生的载流子的寿命，τtr 是载流子传输时间，η是器件的外部量子效率。所以我们就可以通过对载流子的捕获去获得增益。半导体薄膜表面的缺陷形成的缺陷态便可以用于捕获光生载流子，并且防止电荷载流子复合，以此延长载流子的寿命。正如图2B所示的光电探测器的示意图，当受照射光子能量高于半导体带隙时，将产生电子-空穴对，电子会很快被困在半导体/金属界面上。被困电子的寿命远远长于自由空穴的传输时间。在施加外部电压的情况下，未配对的空穴被输运且收集到阴极。当电子被困时，注入到活性层的空穴数量将不断通过电路输运，这会导致收集到的空穴数量远远超过了最初光生载流子的数量。这种增益理论也被称为“循环增益机制”。

图2.钙钛矿薄膜中的表面缺陷和捕获机制。

接下来作者通过利用缺陷进行器件设计，实现了创纪录的光电探测器性能。根据光电导增益的定义，延长载流子寿命（τ）和减小载流子传输时间（τtr）可以增大光电导增益（G）。同时，提高半导体的质量和确保光的完全吸收表明更高效的外部量子效率（η）。此外，为了减少载流子传输时间，应尽量优化活性层的厚度，同时确保对入射光的充分吸收。活性层的迁移率（μ）也应尽可能提高，以增加载流子的传输速度并减少载流子传输时间（τtr），因此最好使用单晶材料作为活性层，而不是多晶材料。此外，通过对钙钛矿前驱体进行纯化以减少单晶钙钛矿薄膜中的内部缺陷，所制备的光电探测器实现了创纪录的光电导增益达到5000万，并且增益带宽积达到70 GHz。该器件的光电导增益和增益带宽积分别比当时所有基于光电导机制的报道的钙钛矿光电探测器高出5000倍和两个数量级。该器件还具有超高灵敏度，检测极限创纪录下降至200个光子，比当时所有报道的钙钛矿光电探测器低50倍。

总结与展望

本文超越了缺陷是有害的这个大家普遍的印象，通过对光电探测器以及缺陷背后的机理进行深入的理解，我们是可以利用缺陷提高器件性能，并且实现创纪录的探测器灵敏度。陷阱态不仅可以用于捕获活性层表面的载流子，还可以用于活性层内部和传输层表面。Dong等人将氧化锌纳米颗粒与硫化铅量子点混合，将长寿命的被困电子留在氧化锌颗粒上，获得了16的增益。Xu等人在氧化锌表面引入了氧空位缺陷，将电子困在电子传输层中，报道了PbS量子点光电探测器的增益为153。但是通过延长载流子寿命获得高增益，这意味着还会增加光电探测器的响应时间。因此，同时实现超快探测和基于增益的高灵敏度器件将会是一个重大挑战。除了增加光电探测器的增益这个有益影响外，缺陷还可以在发射器甚至激光器中被积极利用，并在量子点光谱仪中对量子点进行猝灭，这也是有益的应用。总的来说，对缺陷以及光电器件背后物理的深入理解之后，才能够进行精心设计去最大化光电子器件性能，这是最关键的。本文这种新的观点和理解打破了大家一直以来的思维定势，可以为我们未来设计性能的光电器件提高参考。

心得与体会

比利时根特大学的Yu-Hao Deng （邓玉豪）的这篇文章能够给大家的启示是，在科学上，没有什么东西一定是绝对有害的，在对科学进行深入的研究和理解之后，才可以最大化我们对自然规律的利用，哪怕是思维定势中的有害概念（比如缺陷），也可以被有益地被利用，最重要是能够对科学进行深入的研究和理解。这也是对科研工作者的一种哲学意义上的启发吧。

参考文献

Deng, Y.-H. (2024), Identifying and Understanding the Positive Impact of Defects for Optoelectronic Devices. Adv. Sensor Res. 2300144. https://doi.org/10.1002/adsr.202300144 

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