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【国内论文】山东大学：基于锆调控的准二维电子气界面禁闭效应实现高响应性柔性β-Ga₂O₃/IGZO紫外光探测器
日期：2025-10-30阅读：121
由山东大学的研究团队在学术期刊 ACS Photonics 发布了一篇名为 High Responsivity Flexible β-Ga2O3/IGZO Ultraviolet Photodetectors Enabled by Zr-Modulated Quasi-Two-Dimensional Electron Gas Interfacial Confinement（基于锆调控的准二维电子气界面禁闭效应实现高响应性柔性 β-Ga2O3/IGZO 紫外光探测器）的文章。
期刊介绍
ACS Photonics 作为美国化学会（ACS）旗下专注于光电子学领域的权威期刊，被广泛认为是该领域的顶尖学术平台之一。根据中科院最新分区，该期刊位列1区TOP期刊，影响因子6.7 （2024-2025年数据），在学术界和工业界均享有极高声誉。
背 景
柔性深紫外光电探测器在可穿戴健康监测、便携式安全通信和可折叠显示等新兴领域具有重要应用前景。然而，现有的柔性探测器普遍面临性能瓶颈，如响应度低、响应速度慢等。 这主要是由于柔性材料本身存在较多缺陷，且器件界面质量不佳，导致光生载流子复合严重。 将超宽禁带半导体 β-Ga2O3 与高迁移率的氧化物半导体 IGZO 构成异质结是一种有前景的技术路线，但如何有效调控其界面处的载流子行为，以同时获得高增益和快速度，是该领域面临的核心挑战。
主要内容
准二维电子气（quasi-2DEG）凭借独特的量子限制效应和高电子迁移率，为柔性 Ga2O3 基异质结紫外光探测器（UVPDs）带来了变革性前景。然而，柔性极限温度与晶体质量之间的内在矛盾导致非晶态 Ga2O3 中出现氧空位（VO）相关复合现象，这抑制了准二维电子气体的形成，严重削弱了紫外光探测器的性能。本文提出 Zr 调控界面工程策略：将超低氧空位浓度的 Zr 掺杂 β-Ga2O3（ZrGaO）薄膜与氧化铟镓锌（IGZO）协同集成，构建柔性异质结紫外探测器。Zr 有效钝化界面缺陷并诱导有利能带对齐，成功促进界面处准二维电子气形成。值得注意的是，量子限制效应使载流子迁移率显著提升 2.1 倍，从而协同改善了载流子传输效率与光生电子-空穴分离效能。最终器件在 254 nm 光照下展现卓越性能指标：光暗电流比达 1.37×105，响应度达 1.65 × 102 A W–1，探测率高达 1.06 × 1014 Jones，超越多数已报道的柔性紫外光电探测器。此外，该柔性器件在经历 1000 次多角度弯曲循环后仍保持稳定的光电性能，展现出卓越的机械耐久性。本研究证明了锆调制界面工程在柔性光电子器件中诱导准二维电子气效应的潜力，为下一代高性能可穿戴紫外检测系统建立了可扩展的设计策略。
亮 点
● 首次提出并成功验证了通过 Zr 掺杂调控在柔性 β-Ga2O3/IGZO 异质结界面构筑 q-2DEG 的新方法。
● 深入阐明了 q-2DEG 和光栅控效应（提供高增益）的协同作用机制，为解决柔性光电器件中响应度与速度难以兼得的瓶颈问题提供了全新的物理思路。
● 成功制备出兼具超高响应度、高探测率、快速响应和优异机械柔性的深紫外探测器，其综合性能处于领先水平。
结 论
本研究通过协同整合锆调控界面工程技术，在 β-Ga2O3/IGZO 异质结中诱导准二维电子气禁闭效应，实现了柔性紫外光探测技术的重大突破。ZrGaO/IGZO 结构通过 Zr 调控界面工程策略性抑制界面缺陷，同时优化异质结能带对齐（ΔEC = 0.89 eV）以建立强内建电场。准二维电子气禁闭效应显著抑制载流子复合与隧穿效应，实现超低暗电流（7.58 × 10−9 A）及创纪录的高光暗电流比（1.37 × 105）。同时，其高电子迁移率使光电子去局域化进入快速传输通道，从而获得卓越的响应度（1.65×102 A/W）和超快响应动力学（τrise/τdecay = 28/17 ms）。该器件还展现出前所未有的探测灵敏度（1.06 × 1014 Jones）和机械稳健性（在剧烈机械变形下光电流衰减 ＜ 10%，弯曲半径 = 20 mm），性能超越传统柔性紫外光电二极管达 4 个数量级。通过界面工程与二维电子气增强载流子传输的结合，这项工作为下一代可穿戴紫外光电探测器、可折叠成像阵列和智能光子电路的开发铺平了道路。
图1. (a) ZrGaO 薄膜转移至 IGZO 衬底的示意图。(b) Ga2O3/IGZO 与 ZrGaO/IGZO 紫外光化学沉积薄膜的 XRD 图谱。(c) ZrGaO 薄膜的光学照片及 (d) 对应的 AFM 图像（扫描范围：5 μm × 5 μm；高度范围：0−10 nm）。
图 2. （a）ZrGaO/AZO 异质结构的低倍透射电子显微镜（TEM）图像；（b）高分辨率 TEM 图像；（c - e）各区域的快速傅里叶变换（FFT）图样：（c）ZrGaO 区域；（d）ZrGaO/AZO 界面处；（e）AZO 区域。
图3. (a) ZrGaO/IGZO 异质结紫外光电二极管的三维示意图。(b) Ga2O3/IGZO 紫外光电二极管与(c) ZrGaO/IGZO 紫外光电二极管的对数 I-V 曲线。(d) 两种紫外光电二极管的单电流-时间 (I-t) 曲线。(e) 室温下测得的 UVPD 发光光谱。(f) ZrGaO/IGZO 紫外光电二极管在不同光照强度下的 PDCR、R 及 D* 的曲线。
图4. (a) 经100次弯曲循环后，在不同弯曲角度测得的 I-t 曲线。(b) 柔性 ZrGaO/IGZO 紫外光致发光器件在 180° 弯曲角度下，经 50、100、500 及 1000 次弯曲循环后记录的光响应光谱。
图5. (a) ZrGaO/IGZO 紫外光致发光器件工作原理示意图。(b) ZrGaO/IGZO 紫外光致发光器件在暗态下的能带对齐示意图，以及 (c) 在 254 nm 光照射下的能带对齐示意图，展示了内建电场对载流子分离与传输效率的提升作用。
DOI：
doi.org/10.1021/acsphotonics.5c00975
