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【国内论文】北京科技大学---基于频带工程和铁电调制的超灵敏深紫外光检测器
日期：2025-05-22阅读：48
由北京科技大学的研究团队在学术期刊 Advanced Materials 发布了一篇名为 Ultrasensitive Deep-Ultraviolet Photodetectors Based On Band Engineering and Ferroelectric Modulation（基于频带工程和铁电调制的超灵敏深紫外光检测器）的文章。
项目支持
项目中H.W.、L.S.和 Q.Z. 对本研究做出了同等贡献。本研究得到国家重点研发计划（2020YFA0406202）的支持、 国家自然科学基金（22090042、21971009、62204125）、广西八桂学者专项资金和中央高校基本科研业务费（FRF-IDRYGD21-03 和 GJRC003）的资助。作者对北京同步辐射装置 1W1A 光束线科学家的合作表示感谢。噪声频谱密度由无锡芯鉴半导体技术有限公司的低频噪声测试系统（LFN-2000）测量。
背 景
深紫外（Deep-Ultraviolet, DUV）光电探测器在紫外成像、环境监测、军事国防和生物检测等领域至关重要。宽禁带半导体如 AlN、ZnO、GaN 和 Ga2O3 是 DUV 探测器的理想材料。其中，Ga2O3 因其合适的直接带隙（约 4.9 eV）、高击穿场强（约 8 MV/cm）、高吸收系数和良好的热稳定性而备受青睐。目前高性能 Ga2O3 基 DUV 探测器通常依赖雪崩倍增效应以探测微弱光信号，但这需要高偏压，并可能导致漏电流增大和器件退化。其他提升响应度的方法（如声表面波）则涉及复杂设计，不利于集成。对于垂直结构探测器，薄的 Ga2O3 感光层难以有效吸收 DUV 光且漏电流较大，而厚的感光层在低偏压下对弱光不敏感。因此，在保持薄感光层的前提下，降低漏电流并提高光生载流子分离效率是关键。铁电材料的退极化电场能够显著促进光生载流子的分离。BaTiO3 (BTO) 是一种无毒、无挥发性元素的常用铁电材料。但其自身带隙（2-4 eV）不适用于 DUV 光吸收，且与二元氧化物（如 Ga2O3）通常存在较大晶格失配，易引入界面缺陷。
主要内容
宽禁带半导体已作为一类深紫外敏感材料崭露头角，在下一代集成器件中展现出巨大潜力。然而，在低供电电压和弱光强度下，实现深紫外探测器的高光响应而不采用复杂设计颇具挑战性。在此，设计了一种新方法，通过外延生长 7 nm 的 BaTiO3 中间层和 10 nm 的 Ga2O3 光敏层来制造超灵敏垂直结构光电探测器，实现了在低于 4.8 V 的电压下对罕见的弱深紫外光强度（0.1 µW cm−2）的检测，并展示了高达 1.1 A W−1 的响应度，以及 0.24 µs/33.4 µs（上升/衰减）的超快响应。在 0 V 时也达到了 3.8 mA W−1 的响应度。通过 BaTiO3 中间层，扩大了导带偏移，从而抑制了暗电流，同时由于价带偏移的单向导电性增强了光电流。在 0 V 时，BaTiO3 通过其铁电去极化电场对光响应的贡献最大。这些结果为实现高灵敏度、低功耗和高度集成的深紫外检测提供了一条超越传统方法的途径。
总 结
综上所述，研究人员提出了一种集成了外延超薄 BaTiO3 夹层和 Ga2O3 光敏层的超灵敏垂直结构 DUV 光导二极管，可满足未来先进半导体行业对高响应、低电源电压和高集成度特性的需求。该光致发光器件性能卓越，在 4.8 V 和 0.1 μW cm-2 电压下的响应值为 1.1 A W-1，在 0 V 和 38 μW cm-2 电压下的响应值为 38 mA W-1，并且具有 0.24 μs/33.4 μs （上升/衰减）的超快响应。能带的精细控制和铁电去极化电场的效应实现了如此高的光响应性能。因此，这种 DUV PD 与 CMOS 的集成兼容性相结合，为构建未来基于 Ga2O3 的高灵敏度、低功耗电子和光电器件提供了一个前景广阔的材料设计平台。
图 1. LSMO/BTO/Ga2O3 异质结构的示意图和结构表征。a) PD 的示意图。b) (a) 中样品的同步辐射 XRD 图。c) LSMO/BTO/Ga2O3 异质结构在 STO (022) 反射周围的 X 射线倒易空间映射 (RSM) 图。 d) Ga2O3、BTO 和 STO 的 (710)、(111) 和 (111) 平面的 Phi 扫描图。
图 2. LSMO/BTO/Ga2O3 异质结构的原子分辨率 STEM 分析。a) LSMO/BTO/Ga2O3 异质结构的代表性横截面 HAADF-STEM 图像。b,e) 分别为（a）中标有灰色和红色方框区域的放大原子结构图像。比例尺均为 1 nm。c、f）（a）中标有灰色和红色方框区域的相应 FFT 图样。 d、g）分别与 Ga2O3 和 BTO 的实验 STEM 图像相对应的模拟 STEM 图像。实验和模拟 STEM 图像所用的 Ga、Ba、Ti 和 O 晶格模型被叠加在每幅图像上以进行比较。 h) 相应的 EDS 图谱显示了 Ga、Ba、La、Mn、Sr、Ti 和 O 的分布。
DOI：
doi.org/10.1002/adma.202412717
