皮秒光电效应

1、 PN结上的皮秒光电特性 PN结被发现具有超快光电效应，利用激光分子束外延技术制备。当这个PN结被1064nm的激光脉冲照射25ps时，光纸电压脉冲的上升时间是210ps，半带宽为650ps。对1064nm激光脉冲，光致电压灵敏度高达435 mV/mJ。而这是使用10.6um的CO2激光脉冲照射时没有观察到的。结果显示，这种现象是一种超快光电效应。最近，人们投入了很多努力去探索量子的功能性质和验证基于锰氧化物的新型设备和概念。Tanaka等人报道了 PN结的双交换铁磁性的电调制。Mitra等人发现了隧道结的大正向磁阻性。我们已经研究了其他氧化物自动控制原子氧化膜的制备技术，并发现了电流和电压的

2、调制效应，掺Sr的 LaMnO3与掺 Nb的 SrTiO3 PN结的大正向磁阻效应，和多层PN的异质结构。考虑到锰氧化物的光效应，张等人发现在当采用1064nm的激光脉冲照射La1xCaxMnO3薄膜15ps时，在薄膜上会产生激光诱导的半带宽为2us的光热电压脉冲。Sun等人发现当采用532nm的激光脉冲照射在3结薄膜10ns时，在PN结上会产生半带宽为8ms的光致电压脉冲。据报道，在Si衬底上外延沉淀，能够结合硅电子，几种绝缘氧化膜如SrTiO3, BaTiO3，铁电薄膜的功能特性。本文中，我们研究了激光分子束外延技术和 PN结的超快光电效应。当LSMO薄膜被1064nm的激光脉冲照射25p

3、s时，光纸电压脉冲的上升时间是210ps，半带宽为650ps。为了形成一个具有氧化物和硅半导体的功能特性的PN结，我们选择LSMO作为P型材料，电阻系数为4 cm的Si晶片作为N型基底。LSMO单元格绕着Si晶片表面的正常轴旋转45度时，他们之间的点阵不匹配很小。通过计算机控制激光器制备LSMO薄膜。在沉淀薄膜之前，按照依次用酒精，丙酮和去离子水清洗Si基底。然后将基底侵入5%的氟化氢溶液中约20-30s，去除基底表面的原生氧化硅，并且形成一个氢终止表面，Si基底就迅速转换成了一个外延室。给外延室加压至5*10-6Pa，采用XeCL激发物聚焦激光光束照射热压LSMO。在室温下，最初3个单位的L

4、SMO薄膜沉淀在Si基底表面，阻止了非晶SiO2层的形成。在LSMO开始薄膜沉淀之前，Si基底在压力为1*10-5Pa时，被提高到620）C。采用原位反射高能电子衍射系统和CCD监测LSMO薄膜的生长过程。当对初始的LSMO薄膜加温至620）C ，并热退火处理后，LSMO薄膜上会出现12A厚度的RHEED条纹。继续沉淀LSMO薄膜，并向室内加入O活性源，保持气压为3*10-2Pa。通过测量，我们沉淀的LSMO薄膜样品厚度在300-600 nm范围内。最后，采用RHEED系统测试了该LSMO薄膜结晶，利用X -射线衍射分析了它的特点。400nm的LSMO薄膜的RHEED形式如图1所示。明显的条纹

5、形式表明LSMO薄膜具有良好的晶体结构和表面光滑度。图1所示的是400nm的LSMO薄膜在Si基底上的一个典型的XRD模式。除了LSMO和Si的衍射峰以外，没有来自于杂质相位或者取向晶粒的峰值，这表明LSMO薄膜的取向为C轴。为了测量PN结的光电特性，LSMO/Si样品被切成了5*6 mm2 and 2*2 mm2两块。In电极被放置在LSMO薄膜的表面，Si作为基底，如图2, 3, 4所示。为了测量光电特性，In电极被放置在SMO薄膜的顶角处。通过脉冲调制电流源，测量了在室温下LSMO/Si PN结的I-V特性，如图2所示。PN结显示了良好的I-V非线性性和整流特性。我们进一步采用了带宽为2

6、5ps的1064nm的Nd:YAG激光器和10.6um的CO2脉冲光源研究了5*6 mm2 的LSMO/Si PN结的光电特性，测试得到在环境温度下，晶体振荡的上升时间为130ps。观测了当脉冲激光照射LSMO薄膜表面时，PN结的两电极间的开路光电压。最显著的结果就是ps超快光电效应。图3显示了当采用1064nm的脉冲激光辐照时产生的典型的光致电压脉冲时间。测量得到光致电压脉冲的上升时间为10ns左右，半带宽为12us左右。图中可以看到光电压脉冲信号在开始端迅速上升，之后缓慢衰减。当把0.2与PN结并联时，上升时间戏剧化地降低到了210ps，脉冲半带宽也降低到了650ps，如图4所示，很明显可

7、以看出，图4的半带宽比图3所示的半带宽短很多。文献8报道了图4的半带宽比2us窄4个数量级，文献9报道的半带宽比8ms窄7个数量级。影响光电效应的上升时间和半带宽的因素主要有两个。一个是PN结与LSMO薄膜的接口处必须良好，因为接口处或者材料的缺陷会影响非平衡载流子的产生和寿命，它与图3中的光电效应的延迟时间是同等数量级的。第二个因素是在LSMO/Si PN结与测量系统的阻抗之间存在结电容。在本文中， 5*6 mm2 的LSMO/Si 样品的结电容在500MHz时是30pF，晶体的输入阻抗是1M。也就是说，放电时间常数是30us，与图3中的光电效应延迟时间在同一个数量级，图3中的延迟时间与PN

8、结的结电容和测量系统的阻抗密切相关。因此，图4中观察到在并联一个0.2的电阻后的超快光电效应显示了一个更加实际的PN结光电发射过程。我们的实验结果表明，PN结的光电效应不仅是一个超快光电效应，对激光脉冲也有很高的敏感度。采用1064nm的0.8mJ的激光脉冲照射时，PN结最大的光电灵敏度是435mV/mJ,当它与小于等于0.5的电阻并联时，最大电流大于100mA。当采用激光脉冲照射系统时，LSMO/Si PN结的能带结构和光子产生载流子运动示意图如如图5所示。我们测量霍尔效应得到，LSMO载流子的密度大约为3*1018cm-3，这要比n型Si的载流子密度大得多。而且，从图5可以看出，Si耗尽区

9、的厚度要远远后于LSMO。光电效应的产生可以简单理解为以下过程：LSMO与硅相连时，n型Si电子泄漏到邻近的p型LSMO，由于载流子的扩散LSMO的空穴进入Si。围绕界面的扩散载流子可以防止载体的进一步泄漏，同时界面的空间电荷提高了LSMO的电势。在光子辐射下，价带电子吸收光子，过渡到导带。由于1064nm波长的光子能量比LSMO与Si的带隙大，因此就会在系统中产生LSMO与Si电子。在LSMO产生的高电势电子，移到电势较低的Si的一面。同时，Si里面的空穴移向LMSO。之后，照射时硅费米能级分裂成两个准费米能级。最终，发生了光电效应。通过这样的双方的矽基材和制LSMO /硅光子吸收测量，我们可以得出结论，光子1064nm被LSMO吸收，而不是以硅为主。一个可能的原因可能是LSMO异质结构被激光照射，而且LSMO薄膜很厚。因此，激光诱导了LSMO薄膜大部分的载流子产生。当采用10.6um的CO2激光脉冲照射结处的LSMO薄膜时，由于它的光子能量比LSMO与 Si的带隙都要小得多，所以不能够观察到光电效应。这个结果很明显地表明超快光电效应是一种光电效应，而不是热电效应。总而言之，我们制备了一种LSMO/Si PN结，并发现了结的超快光电效应。值