【会员论文】武汉纺织大学何云斌教授联合湖北大学&黄河科技学院团队：铁电去极化场驱动的高性能Ga₂O₃基自供电紫外光探测器

        由武汉纺织大学何云斌教授联合湖北大学&黄河科技学院的研究团队在学术期刊 Materials Science in Semiconductor Processing 发布了一篇名为 Ferroelectric depolarization field-driven high- property Ga₂O₃-Based self-powered ultraviolet photodetectors（铁电去极化场驱动的高性能 Ga₂O₃ 基自供电紫外光探测器）的文章。

        紫外（UV）探测器用于感知 100–400 nm 波段的紫外光，广泛应用于科学、工业和军事领域。宽禁带半导体（E_g > 3 eV）因其能带匹配 UV 光子能量，天然适合用于 UV 探测。其中，氧化镓（Ga₂O₃）凭借超宽能带（∼4.9 eV）、高电子迁移率和大击穿电场，被认为是下一代紫外探测器的理想材料。尤其是自供电型 Ga₂O₃ 光探测器，可无需外部电源，实现高灵敏度和精确测量，具有在便携监测和高鲁棒感测网络中的应用潜力。然而，现有 Ga₂O₃ 自供电探测器在实际应用中存在两大瓶颈：一是光生载流子分离效率低，因内建电场局限于 p-n 或肖特基结区域；二是制备工艺复杂且依赖高真空设备，限制了大规模应用。例如，采用脉冲激光沉积制备的 β-Ga₂O₃/4H-SiC p-n 自供电探测器在 254 nm 光下响应度仅 10.35 mA/W，探测率为 8.8 × 10⁹ Jones。为提升光生载流子分离效率，铁电材料因其具有大体内去极化电场而成为潜在解决方案，但其固有载流子浓度低导致光电流偏低、响应度有限。基于此，本研究设计并制备了 Pb(Zr_0.52Ti_0.48)O₃ (PZT) / (Ga_0.6Ti_0.4)₂O₃ (Ga₂O₃:Ti) 异质结自供电 UV 光探测器。通过 Ti⁴⁺ 替代 Ga³⁺ 提高电子载流子浓度，并结合 PZT 的高去极化场与异质结内建场，实现了高效载流子分离与传输。此外，光生载流子在 PZT 与 Ga₂O₃:Ti 两层均生成，进一步提升载流子浓度。最终实现了优异的光电性能：响应度 20.72 mA/W、探测率 5.79 × 10¹¹ Jones，以及快速上升/衰减时间 0.05/0.04 s，显著优于现有大多数 Ga₂O₃ 自供电探测器。

        基于 Ga₂O₃ 的自供电紫外（UV）光电探测器（PDs）因其应用潜力受到广泛关注。然而，其发展受两个主要因素制约：一是 Ga₂O₃ 本征载流子浓度低且光生载流子分离能力弱，限制了光响应性能；二是制备过程依赖复杂且昂贵的真空工艺技术。本文报道了一种高性能的 PZT/(Ga_0.6Ti_0.4)₂O₃ 异质结 UV 光电探测器，该器件采用简便、低成本的溶胶-凝胶法制备，以克服上述限制。Ti⁴⁺ 的价态高于 Ga³⁺，因此将 Ti⁴⁺ 引入 Ga₂O₃ 中能够提高载流子浓度。此外，光电探测器中光生载流子的分离与传输通过两种内部电场的协同作用得到显著增强：一是 PZT 层高剩余极化产生的去极化场，二是 PZT/(Ga_0.6Ti_0.4)₂O₃ 异质结界面固有的内建电场。结果，Au/PZT/(Ga_0.6Ti_0.4)₂O₃/FTO 异质结光电探测器在 300 nm 光照及 0 V 偏置下表现出优异的光电特性，其响应度为 20.72 mA/W，探测率为 5.79 × 10¹¹ Jones，响应速度极快，升/降时间分别为 0.05/0.04 s，总体光响应性能超过大多数现有 Ga₂O₃ 基自供电光电探测器。

        •开发出高性能 PZT/(Ga_0.6Ti_0.4)₂O₃ 异质结自供电紫外光电探测器（PD）。

        • 引入价态高于 Ga³⁺ 的 Ti⁴⁺ 提高了载流子浓度。

        • PZT 层的高极化产生了强去极化场。

        • 去极化场与内建电场共同增强了载流子的分离效率。

        • 该光电探测器表现出高探测率 D* 为 5.79 × 10¹¹ Jones，以及快速的升/降时间（0.05/0.04 s）。

        基于 Au/PZT/(Ga_0.6Ti_0.4)₂O₃/FTO 结构的自供能紫外光探测器（PD）通过溶胶-凝胶法制备。(Ga_0.6Ti_0.4)₂O₃ 薄膜呈无定形特性，而 PZT 薄膜呈纯钙钛矿结构。尽管 FE-SEM 和 AFM 测试确认 (Ga_0.6Ti_0.4)₂O₃ 与 PZT 薄膜之间形成了紧密、无缺陷的界面，但随着 PZT 层数增加，表面均匀性下降，从而阻碍光生载流子的传输。当器件施加负极化电压时，PZT 中的铁电畴发生重构，产生与异质结内建电场同向的去极化电场。这两种电场的协同作用增强了器件内部的总内建电场，从而提高光电流。相反，施加正偏压会产生与内建电场方向相反的去极化电场，削弱总内建电场，从而降低光电流。在单层 PZT 且极化电压为 −5 V 的条件下，Au / PZT / (Ga_0.6Ti_0.4)₂O₃ / FTO PD 展现出最佳光响应性能，实现了 20.72 mA/W 的高响应度、5.79 × 10¹¹ Jones 的高探测率，以及 0.05/0.04 s 的快速上升/衰减时间。

        本工作得到以下项目资助：中国国家自然科学基金（项目编号 52172113、52572127、62274057）、河南省自然科学基金（项目编号 252300421928）以及郑州市基础研究与应用基础研究专项（项目编号 ZZSZX202435）。

图 1.（a）–（f）为 (Ga_1−xTi_x)₂O₃ 紫外光探测器在 0 V 偏压下的光电流；（g）–（l）为其响应度和探测率。

图 2. PZT 薄膜、(Ga_0.6Ti_0.4)₂O₃ 薄膜及 PZT/(Ga_0.6Ti_0.4)₂O₃ 异质结薄膜的 XRD 图谱。

图 3. (a) 1 层 PZT/(Ga_0.6Ti_0.4)₂O₃  和 (b) 2 层 PZT/(Ga_0.6Ti_0.4)₂O₃  异质结薄膜的截面 FE-SEM 图像；(c) 1 层 PZT/(Ga_0.6Ti_0.4)₂O₃  和 (d) 2 层 PZT/(Ga_0.6Ti_0.4)₂O₃ 异质结薄膜的三维 AFM 图像。

图 4. (a) 透射光谱，(b) (αhν)² 对 hν 的关系图，(c) PZT 与 (Ga_0.6Ti_0.4)₂O₃ 薄膜及 PZT/(Ga_0.6Ti_0.4)₂O₃ 异质结薄膜的能隙，(d) PZT/(Ga_0.6Ti_0.4)₂O₃ 异质结薄膜的 P-E 回线。

图 5. (a) PZT/(Ga_0.6Ti_0.4)₂O₃ 异质结紫外光电探测器结构示意图；(b) 1 层 PZT 光电探测器在暗态下的 I-V 特性曲线；(c) 1 层 PZT 及 (d) 2 层 PZT/(Ga_0.6Ti_0.4)₂O₃ 异质结光电探测器在开/关紫外光照射及不同极化电压下的瞬时光电流响应。

图 6. (a)–(d) PZT/(Ga_0.6Ti_0.4)₂O₃ 异质结光电探测器在不同极化电压下的响应度与探测率；1 层 PZT/(Ga_0.6Ti_0.4)₂O₃ 异质结光电探测器在开/关紫外光照射下的单周期瞬时光电流，(e) 极化电压为 0 V，(f) 极化电压为 −5 V。

图 7. (a)(Ga_0.6Ti_0.4)₂O₃ 薄膜的紫外光电子能谱（UPS）；在紫外光照条件下光电探测器的能带结构示意图：(b) 未极化状态，(c) 负极化状态，(d) 正极化状态。

DOI：

doi.org/10.1016/j.mssp.2025.110364