【国内论文】APL丨合肥研究院、中国科学技术大学、上海硅酸盐所：外延β-Ga₂O₃/PZT异质结自供电深紫外光电探测器的不对称极化调制

        由中国科学院合肥物质科学研究院、中国科学技术大学、中国科学院上海硅酸盐研究所的研究团队在学术期刊Applied Physics Letters发布了一篇名为Asymmetric polarization modulation of self-powered deep-ultraviolet photodetector based on an epitaxial β-Ga₂O₃/PZT heterojunction（外延 β-Ga₂O₃/PZT 异质结自供电深紫外光电探测器的不对称极化调制）的文章。

        200–280 nm 深紫外光被臭氧层强烈吸收，可实现高信噪比探测，在民用与军事领域应用价值显著。β-Ga₂O₃ 因 4.9 eV 超宽带隙、高击穿场强及稳定性，成为深紫外光电探测器的核心材料。基于异质结的 β-Ga₂O₃ 探测器可实现零偏自供电，但仅靠内建电场难以高效分离光生载流子，性能受限。铁电材料 PZT（锆钛酸铅）具有稳定可调的强退极化电场，且能与 β-Ga₂O₃ 形成 II 型异质结；但多畴铁电体上生长的 β-Ga₂O₃ 薄膜易呈多晶态，载流子散射严重。因此，构建高质量外延 β-Ga₂O₃/PZT 异质结，开发铁电增强型自供电深紫外探测器，对解决现有器件瓶颈、实现性能可控调制具有重要意义。

        自供电异质结深紫外光电探测器（DUV PDs）凭借低功耗、高便携性受到广泛关注，但其性能受内建电场下光生载流子低效分离与输运的限制。本文开发了一种基于外延 β-Ga₂O₃/PZT 异质结的铁电增强型自供电深紫外光电探测器，实现了结区电场的非易失极化调制。零偏压光响应测试表明，在向上极化状态下，正向退极化电场与内建电场的建设性叠加，使探测器响应度和探测率分别显著提升至 476 mA/W 和 2.37×10¹² Jones，增幅达 283% 和 98%。值得注意的是，在向下极化状态下，反向退极化电场虽与内建电场反向，预期会大幅抑制器件性能，但响应度和探测率仅分别小幅下降 48% 和 27%。这种不对称极化调制现象，与透射电子显微镜观测到的界面铅空位富集薄层及可移动氧空位密切相关。向下极化时，氧空位在异质界面附近聚集，与铅空位富集薄层静电耦合，产生与内建电场同向的补偿电场，从而部分抵消反向退极化电场。该研究结果为高性能 β-Ga₂O₃ 基自供电深紫外光电探测器的开发、优化及机理解释提供了新途径。

        本研究采用外延 β-Ga₂O₃/PZT 异质结构筑铁电增强型自供电深紫外光电探测器。器件具有明显整流特性、低暗电流，在 254 nm 紫外光辐照下可实现稳定零偏压输出。通过调控PZT极化状态，可非易失可逆地调制结区电场：向上极化时，内建电场与正向退极化电场建设性叠加，显著提升器件性能，响应度达 476 mA/W、探测率达 2.37×10¹² Jones，分别提升 283% 和 98%；向下极化时，反向退极化电场虽抵消部分内建电场，但响应度和探测率仅小幅下降 48% 和 27%，呈现不对称极化调制特性。该现象归因于缺陷诱导的界面空间电荷层及补偿电场，界面铅空位富集薄层与可移动氧空位的协同作用为该机理提供了支撑。研究结果为高性能 β-Ga₂O₃ 基自供电光电探测器研发提供新方向，也为铁电/半导体异质结器件的界面电场分析提供了参考。

        本研究得到国家重点研发计划（批准号：2024YFA1611101）、国家自然科学基金（批准号：12374095、12204005）及中国科学院基于重大科技基础设施的基础研究项目（批准号：JZHKYPT-2021-08）的资助。