皮秒光電效應

1、 PN結上的皮秒光電特性 PN結被發(fā)現具有超快光電效應，利用激光分子束外延技術制備。當這個PN結被1064nm的激光脈沖照射25ps時，光紙電壓脈沖的上升時間是210ps，半帶寬為650ps。對1064nm激光脈沖，光致電壓靈敏度高達435 mV/mJ。而這是使用10.6um的CO2激光脈沖照射時沒有觀察到的。結果顯示，這種現象是一種超快光電效應。最近，人們投入了很多努力去探索量子的功能性質和驗證基于錳氧化物的新型設備和概念。Tanaka等人報道了 PN結的雙交換鐵磁性的電調制。Mitra等人發(fā)現了隧道結的大正向磁阻性。我們已經研究了其他氧化物自動控制原子氧化膜的制備技術，并發(fā)現了電流和電壓的

2、調制效應，摻Sr的 LaMnO3與摻 Nb的 SrTiO3 PN結的大正向磁阻效應，和多層PN的異質結構?？紤]到錳氧化物的光效應，張等人發(fā)現在當采用1064nm的激光脈沖照射La1xCaxMnO3薄膜15ps時，在薄膜上會產生激光誘導的半帶寬為2us的光熱電壓脈沖。Sun等人發(fā)現當采用532nm的激光脈沖照射在3結薄膜10ns時，在PN結上會產生半帶寬為8ms的光致電壓脈沖。據報道，在Si襯底上外延沉淀，能夠結合硅電子，幾種絕緣氧化膜如SrTiO3, BaTiO3，鐵電薄膜的功能特性。本文中，我們研究了激光分子束外延技術和 PN結的超快光電效應。當LSMO薄膜被1064nm的激光脈沖照射25p

3、s時，光紙電壓脈沖的上升時間是210ps，半帶寬為650ps。為了形成一個具有氧化物和硅半導體的功能特性的PN結，我們選擇LSMO作為P型材料，電阻系數為4 cm的Si晶片作為N型基底。LSMO單元格繞著Si晶片表面的正常軸旋轉45度時，他們之間的點陣不匹配很小。通過計算機控制激光器制備LSMO薄膜。在沉淀薄膜之前，按照依次用酒精，丙酮和去離子水清洗Si基底。然后將基底侵入5%的氟化氫溶液中約20-30s，去除基底表面的原生氧化硅，并且形成一個氫終止表面，Si基底就迅速轉換成了一個外延室。給外延室加壓至5*10-6Pa，采用XeCL激發(fā)物聚焦激光光束照射熱壓LSMO。在室溫下，最初3個單位的L

4、SMO薄膜沉淀在Si基底表面，阻止了非晶SiO2層的形成。在LSMO開始薄膜沉淀之前，Si基底在壓力為1*10-5Pa時，被提高到620）C。采用原位反射高能電子衍射系統和CCD監(jiān)測LSMO薄膜的生長過程。當對初始的LSMO薄膜加溫至620）C ，并熱退火處理后，LSMO薄膜上會出現12A厚度的RHEED條紋。繼續(xù)沉淀LSMO薄膜，并向室內加入O活性源，保持氣壓為3*10-2Pa。通過測量，我們沉淀的LSMO薄膜樣品厚度在300-600 nm范圍內。最后，采用RHEED系統測試了該LSMO薄膜結晶，利用X -射線衍射分析了它的特點。400nm的LSMO薄膜的RHEED形式如圖1所示。明顯的條紋

5、形式表明LSMO薄膜具有良好的晶體結構和表面光滑度。圖1所示的是400nm的LSMO薄膜在Si基底上的一個典型的XRD模式。除了LSMO和Si的衍射峰以外，沒有來自于雜質相位或者取向晶粒的峰值，這表明LSMO薄膜的取向為C軸。為了測量PN結的光電特性，LSMO/Si樣品被切成了5*6 mm2 and 2*2 mm2兩塊。In電極被放置在LSMO薄膜的表面，Si作為基底，如圖2, 3, 4所示。為了測量光電特性，In電極被放置在SMO薄膜的頂角處。通過脈沖調制電流源，測量了在室溫下LSMO/Si PN結的I-V特性，如圖2所示。PN結顯示了良好的I-V非線性性和整流特性。我們進一步采用了帶寬為2

6、5ps的1064nm的Nd:YAG激光器和10.6um的CO2脈沖光源研究了5*6 mm2 的LSMO/Si PN結的光電特性，測試得到在環(huán)境溫度下，晶體振蕩的上升時間為130ps。觀測了當脈沖激光照射LSMO薄膜表面時，PN結的兩電極間的開路光電壓。最顯著的結果就是ps超快光電效應。圖3顯示了當采用1064nm的脈沖激光輻照時產生的典型的光致電壓脈沖時間。測量得到光致電壓脈沖的上升時間為10ns左右，半帶寬為12us左右。圖中可以看到光電壓脈沖信號在開始端迅速上升，之后緩慢衰減。當把0.2與PN結并聯時，上升時間戲劇化地降低到了210ps，脈沖半帶寬也降低到了650ps，如圖4所示，很明顯可

7、以看出，圖4的半帶寬比圖3所示的半帶寬短很多。文獻8報道了圖4的半帶寬比2us窄4個數量級，文獻9報道的半帶寬比8ms窄7個數量級。影響光電效應的上升時間和半帶寬的因素主要有兩個。一個是PN結與LSMO薄膜的接口處必須良好，因為接口處或者材料的缺陷會影響非平衡載流子的產生和壽命，它與圖3中的光電效應的延遲時間是同等數量級的。第二個因素是在LSMO/Si PN結與測量系統的阻抗之間存在結電容。在本文中， 5*6 mm2 的LSMO/Si 樣品的結電容在500MHz時是30pF，晶體的輸入阻抗是1M。也就是說，放電時間常數是30us，與圖3中的光電效應延遲時間在同一個數量級，圖3中的延遲時間與PN

8、結的結電容和測量系統的阻抗密切相關。因此，圖4中觀察到在并聯一個0.2的電阻后的超快光電效應顯示了一個更加實際的PN結光電發(fā)射過程。我們的實驗結果表明，PN結的光電效應不僅是一個超快光電效應，對激光脈沖也有很高的敏感度。采用1064nm的0.8mJ的激光脈沖照射時，PN結最大的光電靈敏度是435mV/mJ,當它與小于等于0.5的電阻并聯時，最大電流大于100mA。當采用激光脈沖照射系統時，LSMO/Si PN結的能帶結構和光子產生載流子運動示意圖如如圖5所示。我們測量霍爾效應得到，LSMO載流子的密度大約為3*1018cm-3，這要比n型Si的載流子密度大得多。而且，從圖5可以看出，Si耗盡區(qū)

9、的厚度要遠遠后于LSMO。光電效應的產生可以簡單理解為以下過程：LSMO與硅相連時，n型Si電子泄漏到鄰近的p型LSMO，由于載流子的擴散LSMO的空穴進入Si。圍繞界面的擴散載流子可以防止載體的進一步泄漏，同時界面的空間電荷提高了LSMO的電勢。在光子輻射下，價帶電子吸收光子，過渡到導帶。由于1064nm波長的光子能量比LSMO與Si的帶隙大，因此就會在系統中產生LSMO與Si電子。在LSMO產生的高電勢電子，移到電勢較低的Si的一面。同時，Si里面的空穴移向LMSO。之后，照射時硅費米能級分裂成兩個準費米能級。最終，發(fā)生了光電效應。通過這樣的雙方的矽基材和制LSMO /硅光子吸收測量，我們可以得出結論，光子1064nm被LSMO吸收，而不是以硅為主。一個可能的原因可能是LSMO異質結構被激光照射，而且LSMO薄膜很厚。因此，激光誘導了LSMO薄膜大部分的載流子產生。當采用10.6um的CO2激光脈沖照射結處的LSMO薄膜時，由于它的光子能量比LSMO與 Si的帶隙都要小得多，所以不能夠觀察到光電效應。這個結果很明顯地表明超快光電效應是一種光電效應，而不是熱電效應?？偠灾覀冎苽淞艘环NLSMO/Si PN結，并發(fā)現了結的超快光電效應。值