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【会员论文】武汉纺织大学何云斌教授联合湖北大学团队：基于铁电 BaTiO₃/Ga₂O₃ 异质结的自驱动紫外光探测器性能显著提升

日期：2025-12-03阅读：50

由武汉纺织大学何云斌教授联合湖北大学的研究团队在学术期刊Journal of Alloys and Compounds发布了一篇名为Remarkably improved performance in ferroelectric BaTiO₃/Ga₂O₃ heterojunction based self-driven ultraviolet photodetector（基于铁电 BaTiO₃/Ga₂O₃ 异质结的自驱动紫外光探测器性能显著提升）的文章。

项目支持

这项工作得到中国国家自然科学基金（项目编号62274057、11975093和52202132）、湖北省高校科技创新团队项目（项目编号T201901）以及湖北省国际科技合作项目（项目编号2022EHB023）的资助。

背景

本研究聚焦于日盲紫外（SBUV）探测器（工作波段200–280 nm），该类器件在军事与民用领域（如导弹预警、森林火灾监测、无线通信及类脑视觉传感等）具有广泛应用前景。传统硅基探测器受限于窄带隙（1.12 eV）及对可见光的高灵敏度，需要昂贵的光学滤波器，且响应率低，难以满足高性能需求。近年来，宽带隙半导体材料（如AlGaN、MgZnO、金刚石及 β-Ga₂O₃）因其优异的光电特性被视为 SBUV 探测的理想候选。其中，β-Ga₂O₃ 凭借合适的带隙（4.9 eV）以及优良的化学与热稳定性，成为最具潜力的材料。然而，现有 β-Ga₂O₃ 光伏型探测器存在响应度与探测率不足的问题，限制了其实际应用。为改善器件性能，研究者尝试了多种结构设计，如ZnO/Ga₂O₃异质结与Au/Ga₂O₃肖特基结，但其性能提升仍有限。近年，铁电体/β-Ga₂O₃异质结因可利用铁电极化场增强载流子分离而成为新方向。然而，合适的铁电材料选择仍是挑战。基于此，本研究首次提出并制备了 BaTiO₃/Ga₂O₃异质结光探测器，通过利用 BaTiO₃ 的铁电极化效应调控光电响应，在零偏压下实现了显著提升的响应度与探测率，为高性能自驱动 SBUV 探测器的开发提供了新思路。

主要内容

高性能自驱动紫外光电探测器（UVPDs）在军事和民用领域均具有广泛应用。然而，自供电UVPDs通常因器件内光生载流子的分离和传输受限而表现不尽如人意。在此，设计并制备了基于 BaTiO₃/Ga₂O₃异质结的光电探测器，采用 MgO (100) 单晶作为衬底，(Sn, F)共掺杂 Ga₂O₃ 作为底电极，并形成了II型能带结构。厚度为100 nm的 BaTiO₃层的 BaTiO₃/Ga₂O₃异质结器件在零偏下表现出最佳性能（响应度 R = 41.55 mA/W；探测率 D* = 5.74 × 10¹¹ Jones；上升/下降时间 τ_r/τ_d = 94/165 ms）。该器件的性能（R、D* 和 τ_r/τ_d）明显优于在相同条件下制备的单层 Ga₂O₃ 器件（R = 1.17 mA/W，D* = 5.15 × 10¹⁰ Jones，τ_r/τ_d = 129/327 ms）和单层 BaTiO₃器件（R = 0.21 mA/W，D* = 2.09 × 10¹⁰Jones，τ_r/τ_d = 111/287 ms）。此外，BaTiO₃/Ga₂O₃器件的光电流响应可被其铁电去极化电场调控，在向上极化状态下响应度更高（R = 43.68 mA/W），优于未极化和向下极化状态。该器件在弱光照条件下（光强：1.32 μW/cm²）表现出更高的性能，响应度达到88.92 mA/W，探测率为1.23 × 10¹² Jones。这些性能参数超过了文献中大多数基于 Ga₂O₃的自驱动光电探测器。研究结果表明，BaTiO₃/Ga₂O₃ 异质结是实现高灵敏度深紫外光探测的有力候选材料。

亮点

• 实现了高性能的 BaTiO₃/Ga₂O₃ 异质结紫外光电探测器（UV-PD）。

• 优化器件在零偏置下表现出超高响应度（88.92 mA/W）和探测率（1.23 × 10¹² Jones）。

• BaTiO₃/Ga₂O₃ 光电探测器的性能优于单独的 Ga₂O₃ 和 BaTiO₃ 基光电探测器。

• BaTiO₃/Ga₂O₃光电探测器的优异性能归因于 E_dp与 E_BaTiO3/Ga2O3 界面耦合效应。

总结

本研究设计并制备了具有Ⅱ型能带结构的 BaTiO₃/Ga₂O₃ 异质结自驱动光电探测器。优化后的 BaTiO₃ 层厚度为 100 nm 的 BaTiO₃/Ga₂O₃ 器件表现出优异性能（响应度 R = 41.55 mA/W，探测率 D* = 5.74×10¹¹ Jones，上升/衰减时间 τ_r/τ_d = 94/165 ms）。该异质结器件的 R 和 D* 明显优于单层 Ga₂O₃（R = 1.17 mA/W，D* = 5.15×10¹⁰）和单层 BaTiO₃（R = 0.21 mA/W，D* = 2.09×10¹⁰）器件。在弱光照射下（P255nm = 1.32 μW/cm²），Au/BaTiO₃/Ga₂O₃ 器件实现了超高响应度 R = 88.92 mA/W 和探测率 D* = 1.23×10¹² Jones。此外，Au/BaTiO₃/Ga₂O₃ 器件的光探测性能可通过 BaTiO₃ 中的铁电极化有效调控。器件在向上极化状态下的响应度（R = 43.68 mA/W）明显优于未极化状态（R = 41.55 mA/W）和向下极化状态（R = 33.56 mA/W）。工作表明，通过将铁电 BaTiO₃ 中的去极化场 E_dp 与 BaTiO₃/Ga₂O₃ 异质结的内建电场耦合，实现光生载流子的分离，是开发高性能自驱动光电探测器的可行策略。

图 1. (a) 在 MgO (100) 衬底上生长的 BaTiO₃、Ga₂O₃ 和 BaTiO₃/Ga₂O₃/(SnGa)₂(OF)₃ 薄膜的 X 射线衍射（XRD）图谱；(b) 光学透射谱；(c) BaTiO₃、Ga₂O₃ 和 (SnGa)₂(OF)₃ 薄膜的 (αhν)² 对 hν 的关系图；(d) BaTiO₃/Ga₂O₃/(SnGa)₂(OF)₃/MgO 多层薄膜的截面场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）图像及对应的能谱（EDS）元素分布图。

图 2. (a) BaTiO₃/Ga₂O₃/(SnGa)₂(OF)₃/MgO 多层薄膜的截面透射电子显微镜（TEM）图像；(b) BaTiO₃/Ga₂O₃ 界面和 (c) (SnGa)₂(OF)₃/MgO 界面的高分辨 TEM（HRTEM）图像。插图为虚线框标记区域的放大视图及对应的快速傅里叶变换（FFT）图案。

图 3. (上) 各器件结构示意图及 (下) 暗态下测量的 I–V 曲线，分别为 (a) BaTiO₃/Ga₂O₃ 器件、(b) 单层 Ga₂O₃ 器件和 (c) 单层 BaTiO₃ 器件。插图显示了这些器件的顶部肖特基接触和底部欧姆接触。

图 4. (a–c) 在零偏下测量的 (a) BaTiO₃/Ga₂O₃ 器件、(b) 单层 Ga₂O₃ 器件和 (c) 单层 BaTiO₃ 器件的多循环 I–t 曲线；(d–f) 响应时间。(g) 三种器件的光谱响应度和 (h) 光谱探测度；插图为 200–400 nm 波长范围内光的响应度和探测度的对数刻度表示。

图 5. (a) BaTiO₃/Ga₂O₃ 器件在 255 nm 入射光下测得的光强依赖光电流响应。(b) BaTiO₃/Ga₂O₃ 器件的光强依赖 Iₚₕₒₜₒ、响应度 R 和探测度 D*，(c) 响应时间 τᵣ/τ_d。(d–e) BaTiO₃/Ga₂O₃ 器件在不同极化状态下对 255 nm 和 315 nm 入射光的光电流响应。(f) BaTiO₃/Ga₂O₃ 器件在不同极化状态下的光谱响应度。

图 6. (a) BaTiO₃、Ga₂O₃ 和 (SnGa)₂(OF)₃ 薄膜的 Ti 2p、(b) Ga 2p 和 (c) Ga 2p 核能级及价带谱。(d) BaTiO₃/Ga₂O₃ 异质结界面处的 Ga 2p 和 Ti 2p 核能级。(e) BaTiO₃ 层处于未极化状态时，BaTiO₃/Ga₂O₃/(SnGa)₂(OF)₃ 多层薄膜的能带排列示意图。(f–h) BaTiO₃/Ga₂O₃ 异质结器件在 (f) 未极化、(g) 上向极化和 (h) 下向极化状态下的能带结构示意图。

DOI：

doi.org/10.1016/j.jallcom.2025.184731