学术报告：压电效应增强的自供能太阳盲紫外光电探测器基于Ga₂O₃/ZnO异质结的研究

第一部分：研究的主要作者和单位，以及发表信息

本文研究由Hongbin Wang、Jiangang Ma、Peng Li、Bingsheng Li、Haiyang Xu及Yichun Liu共同完成。他们隶属于东北师范大学教育部紫外发光材料与技术重点实验室，研究成果发表在《IEEE Electron Device Letters》，期刊卷号为45，编号为4，时间为2024年4月。

第二部分：研究背景

本研究集中在自供能太阳盲紫外（solar-blind ultraviolet, SBUV）光电探测器（photodetectors, PDs）的领域。Ga₂O₃因其超宽禁带（ultra-wide-bandgap）特性和极好的化学与热稳定性，在太阳盲紫外探测器和超高功率电子器件中具有巨大的应用潜力。然而，目前高质量Ga₂O₃薄膜的制备通常需要高温生长技术和低晶格失配的基底，这对大面积柔性器件的制造提出了挑战。相比之下，无定形Ga₂O₃（amorphous Ga₂O₃, a-Ga₂O₃）薄膜凭借低温制备和适应柔性基底的优良特性，成为一类颇具前景的候选材料。

尽管a-Ga₂O₃材料在光电探测领域展现了一定的优势，但受制于其较低的载流子迁移率，目前所制备器件的光响应和响应时间较差。因此，进一步优化a-Ga₂O₃光电探测器的光响应特性对提升其性能非常必要。同时，压电效应（piezoelectricity）通过应变引起的极化电荷可调节载流子在界面上的输运和分离行为，从而有望显著提升光电探测器的性能。本文创新性地结合a-Ga₂O₃与ZnO（具有压电特性的半导体材料）构建了异质结探测器，并探讨了压电效应在其中的调制作用。

第三部分：研究工作流细节

研究包括以下多个主要步骤：

1. 材料制备

   • 研究使用120 μm厚的柔性聚酰亚胺（polyimide, PI）作为基底。
   • 基底经过超声清洗去除表面杂质。随后，利用磁控溅射法（magnetron sputtering）在PI基底上沉积ITO和ZnO薄膜，接着在ZnO薄膜上沉积a-Ga₂O₃薄膜。
   • 最终用铝电极覆盖于ITO和a-Ga₂O₃层表面。

2. 实验表征方法

   • 晶体结构分析：用X射线衍射仪（XRD）分析晶体质量，证明ZnO薄膜呈现出高度择优的c轴取向，而a-Ga₂O₃则是无定形结构。
   • 光学与光电性能测试：利用紫外-可见光分光光度计测定吸收光谱；用包括氙灯、单色仪和光斩波等设备的光电测试系统测量器件光电性能。
   • 应变设计与测量：通过弯曲基底，引入从0.34%到0.57%之间的不同拉伸应变，计算方法基于薄膜和基底的几何参数和杨氏模量差异。

3. 压电实验
   测试a-Ga₂O₃/ZnO界面在压电极化电荷作用下的载流子输运行为，通过使用垂直结构的Al/ZnO/ITO器件，在向上拉伸应变下确认ZnO中压电场的方向及其对电子传输的影响。

4. 性能测试与分析
   在不同应变条件下验证光探测器的光暗电流、光响应度（responsivity, R）和探测率（detectivity, D*）等关键性能参数，并记录器件的光响应时间（rise time和decay time）。

第四部分：主要结果

1. 基本性能测试：

   • ZnO的(002)衍射峰显示其为c轴择优取向，为良好的压电性能奠定基础。
   • Ga₂O₃和ZnO薄膜的光学吸收边分别约在254 nm和365 nm处，其禁带宽度分别为5.1 eV和3.3 eV。

2. 压电调控下的性能增强：

   • 在254 nm光照下，采用0.57%应变可使a-Ga₂O₃/ZnO探测器的光响应度从1.84 mA/W提高到2.69 mA/W，探测率从1.15×10¹⁰增长至1.56×10¹⁰ Jones。
   • 在同样条件下，光响应时间显著缩短：响应时间由85.2 ms缩短到50.6 ms，衰减时间由83.7 ms缩短到43.4 ms，分别提高了40.9%和48.1%。

3. 性能优化的机制分析：

   • 非拉伸条件下，Ga₂O₃/ZnO异质结存在内建电场，导致导带不连续，形成较高的暗电流。
   • 引入拉伸应变后，ZnO的压电极化电荷在界面处积累，导带不连续性被降低，从而大幅减少了电子运动的势垒。

4. 器件稳定性与重复性：

   • 弯曲2000次后，器件的光电流和暗电流仍维持98%的初始值，证明了a-Ga₂O₃/ZnO异质结探测器的优越稳定性和耐久性。

5. 时间分辨光响应测试：

   • 引入0.57%的压电应变后，光响应峰值的紫外/可见（254nm/400nm）比率达到5.9×10³，表现出优异的选择性。

第五部分：研究结论

本文揭示了利用压电效应改进Ga₂O₃/ZnO异质结光电探测器性能的创新方法，通过应变调节界面的导带连续性，有效提升了载流子分离及输运效率。在无偏置和0.57%拉伸应变条件下，器件的光响应度和探测率分别提高了46.2%和35.7%，同时其响应时间显著缩短。这项研究为太阳盲紫外光电探测器的设计和制造提供了一种切实可行的方法。

第六部分：研究亮点

1. 结合压电效应调控异质结界面载流子输运的创新性设计。
2. 高性能柔性Ga₂O₃/ZnO基探测器的开发，克服了传统Ga₂O₃生长困难的挑战。
3. 提供了实现快速、稳定紫外探测器性能优化的新方向。

第七部分：其他价值

该研究不仅在理论上推进了太阳盲紫外探测器领域的进展，并为柔性、低成本、高性能光电器件的应用开发打开了新思路，表现出较大的科学与实用价值。