二维电子系统中面内光电效应的理论

一种新的光电现象，即面内光电（IPPE）效应，最近在具有二维（2D）电子气的 GaAs/Al$_x$Ga$_{1-x}$As 异质结构中于太赫兹（THz）频率下被发现（W. Michailow 等，Sci. Adv. \textbf{8}, eabi8398 (2022)）。与传统的光电现象不同，IPPE 效应在辐射正入射时被观测到，电子在吸收一个 THz 光子后所克服的面内势阶高度可通过栅压进行电调谐，并且该效应在负电子“功函数”时最大，此时费米能量位于势垒之上。基于所发现的现象，已实现高效的 THz 辐射探测。本工作中我们给出 IPPE 效应的详细理论，提供依赖于频率、栅压和探测器几何参数的 THz 波产生光电流、量子效率和探测器内响应度的解析结果。计算针对零温下宏观宽样品进行。理论结果适用于任何具有 2D 电子气的半导体系统，包括 III-V 结构、基于硅的场效应晶体管以及新型 2D 层状类石墨烯材料。