由北京科技大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)在學(xué)術(shù)期刊 Advanced Materials 發(fā)布了一篇名為 Ultrasensitive Deep-Ultraviolet Photodetectors Based On Band Engineering and Ferroelectric Modulation（基于頻帶工程和鐵電調(diào)制的超靈敏深紫外光檢測器）的文章。

1. 項(xiàng)目支持

項(xiàng)目中H.W.、L.S.和 Q.Z. 對本研究做出了同等貢獻(xiàn)。本研究得到國家重點(diǎn)研發(fā)計劃（2020YFA0406202）的支持、 國家自然科學(xué)基金（22090042、21971009、62204125）、廣西八桂學(xué)者專項(xiàng)資金和中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)（FRF-IDRYGD21-03 和 GJRC003）的資助。作者對北京同步輻射裝置 1W1A 光束線科學(xué)家的合作表示感謝。噪聲頻譜密度由無錫芯鑒半導(dǎo)體技術(shù)有限公司的低頻噪聲測試系統(tǒng)（LFN-2000）測量。

2. 背景

深紫外（Deep-Ultraviolet, DUV）光電探測器在紫外成像、環(huán)境監(jiān)測、軍事國防和生物檢測等領(lǐng)域至關(guān)重要。寬禁帶半導(dǎo)體如 AlN、ZnO、GaN 和 Ga₂O₃ 是 DUV 探測器的理想材料。其中，Ga₂O₃ 因其合適的直接帶隙（約 4.9 eV）、高擊穿場強(qiáng)（約 8 MV/cm）、高吸收系數(shù)和良好的熱穩(wěn)定性而備受青睞。目前高性能 Ga₂O₃ 基 DUV 探測器通常依賴雪崩倍增效應(yīng)以探測微弱光信號，但這需要高偏壓，并可能導(dǎo)致漏電流增大和器件退化。其他提升響應(yīng)度的方法（如聲表面波）則涉及復(fù)雜設(shè)計，不利于集成。對于垂直結(jié)構(gòu)探測器，薄的 Ga₂O₃ 感光層難以有效吸收 DUV 光且漏電流較大，而厚的感光層在低偏壓下對弱光不敏感。因此，在保持薄感光層的前提下，降低漏電流并提高光生載流子分離效率是關(guān)鍵。鐵電材料的退極化電場能夠顯著促進(jìn)光生載流子的分離。BaTiO₃ (BTO) 是一種無毒、無揮發(fā)性元素的常用鐵電材料。但其自身帶隙（2-4 eV）不適用于 DUV 光吸收，且與二元氧化物（如 Ga₂O₃）通常存在較大晶格失配，易引入界面缺陷。

3. 主要內(nèi)容

寬禁帶半導(dǎo)體已作為一類深紫外敏感材料嶄露頭角，在下一代集成器件中展現(xiàn)出巨大潛力。然而，在低供電電壓和弱光強(qiáng)度下，實(shí)現(xiàn)深紫外探測器的高光響應(yīng)而不采用復(fù)雜設(shè)計頗具挑戰(zhàn)性。在此，設(shè)計了一種新方法，通過外延生長 7 nm 的 BaTiO₃ 中間層和 10 nm 的 Ga₂O₃ 光敏層來制造超靈敏垂直結(jié)構(gòu)光電探測器，實(shí)現(xiàn)了在低于 4.8 V 的電壓下對罕見的弱深紫外光強(qiáng)度（0.1 µW cm⁻²）的檢測，并展示了高達(dá) 1.1 A W⁻¹ 的響應(yīng)度，以及 0.24 µs/33.4 µs（上升/衰減）的超快響應(yīng)。在 0 V 時也達(dá)到了 3.8 mA W⁻¹ 的響應(yīng)度。通過 BaTiO₃ 中間層，擴(kuò)大了導(dǎo)帶偏移，從而抑制了暗電流，同時由于價帶偏移的單向?qū)щ娦栽鰪?qiáng)了光電流。在 0 V 時，BaTiO₃ 通過其鐵電去極化電場對光響應(yīng)的貢獻(xiàn)最大。這些結(jié)果為實(shí)現(xiàn)高靈敏度、低功耗和高度集成的深紫外檢測提供了一條超越傳統(tǒng)方法的途徑。

4. 總結(jié)

綜上所述，研究人員提出了一種集成了外延超薄 BaTiO₃ 夾層和 Ga₂O₃ 光敏層的超靈敏垂直結(jié)構(gòu) DUV 光導(dǎo)二極管，可滿足未來先進(jìn)半導(dǎo)體行業(yè)對高響應(yīng)、低電源電壓和高集成度特性的需求。該光致發(fā)光器件性能卓越，在 4.8 V 和 0.1 μW cm^-2 電壓下的響應(yīng)值為 1.1 A W^-1，在 0 V 和 38 μW cm^-2 電壓下的響應(yīng)值為 38 mA W^-1，并且具有 0.24 μs/33.4 μs （上升/衰減）的超快響應(yīng)。能帶的精細(xì)控制和鐵電去極化電場的效應(yīng)實(shí)現(xiàn)了如此高的光響應(yīng)性能。因此，這種 DUV PD 與 CMOS 的集成兼容性相結(jié)合，為構(gòu)建未來基于 Ga₂O₃ 的高靈敏度、低功耗電子和光電器件提供了一個前景廣闊的材料設(shè)計平臺。

圖 1. LSMO/BTO/Ga₂O₃ 異質(zhì)結(jié)構(gòu)的示意圖和結(jié)構(gòu)表征。a) PD 的示意圖。b) (a) 中樣品的同步輻射 XRD 圖。c) LSMO/BTO/Ga₂O₃ 異質(zhì)結(jié)構(gòu)在 STO (022) 反射周圍的 X 射線倒易空間映射 (RSM) 圖。 d) Ga₂O₃、BTO 和 STO 的 (710)、(111) 和 (111) 平面的 Phi 掃描圖。

圖 2. LSMO/BTO/Ga₂O₃ 異質(zhì)結(jié)構(gòu)的原子分辨率 STEM 分析。a) LSMO/BTO/Ga₂O₃ 異質(zhì)結(jié)構(gòu)的代表性橫截面 HAADF-STEM 圖像。b,e) 分別為（a）中標(biāo)有灰色和紅色方框區(qū)域的放大原子結(jié)構(gòu)圖像。比例尺均為 1 nm。c、f）（a）中標(biāo)有灰色和紅色方框區(qū)域的相應(yīng) FFT 圖樣。 d、g）分別與 Ga₂O₃ 和 BTO 的實(shí)驗(yàn) STEM 圖像相對應(yīng)的模擬 STEM 圖像。實(shí)驗(yàn)和模擬 STEM 圖像所用的 Ga、Ba、Ti 和 O 晶格模型被疊加在每幅圖像上以進(jìn)行比較。 h) 相應(yīng)的 EDS 圖譜顯示了 Ga、Ba、La、Mn、Sr、Ti 和 O 的分布。

DOI：

doi.org/10.1002/adma.202412717

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