西安交大Nano Energy：同時利用正負壓電電荷的壓電光電子學效應調制三層異質結光電器件性能

【引言】

壓電光電子學效應是利用壓電半導體材料在受到外加應變時所產生的壓電電勢/壓電電荷調控器件界面/結處的能帶結構和光生載流子行為，進而對器件性能進行調制的一種新型效應。近年來，有關壓電光電子學效應調制光電器件性能的研究工作通常只利用了單一極性（正性或負性）的壓電電荷，而忽視了另一極性壓電電荷的作用。關于兩種壓電電荷相互耦合、共同作用過程的分析與討論鮮見報道。

【成果簡介】

近日，在西安交通大學電子與信息工程學院微電子學院賀永寧教授和彭文博博士講師的指導下，李芳沛和潘子健等研究成員通過制備n-Si/n-ZnO/p-PEDOT:PSS三層異質結光電探測器件，實現了正性和負性壓電電荷在同一光電器件中的應用，并從物理機制出發研究了兩種壓電電荷共同作用的壓電光電子學效應對器件光響應性能調控的規律。通過采用不同波長的入射光作用在器件的不同異質結處，研究人員測試了不同外加壓縮應變條件下器件的光響應特性：引入壓電光電子學效應后，器件的光響應度最大提升3000%，靈敏度最大提升2000%。研究人員還揭示了正性和負性壓電電荷對異質結處能帶結構和光生載流子行為的相互耦合、共同調控作用的過程。相關研究成果以“Optimization of Si/ZnO/PEDOT:PSS Tri-Layer Heterojunction Photodetector by Piezo-Phototronic Effect Using Both Positive and Negative Piezoelectric Charges”發表在Nano Energy上（Nano Energy, 2018, 48, 27-34）。

【圖文導讀】

圖1、n-Si/n-ZnO/p-PEDOT:PSS三層異質結光電探測器件的基本特性表征

(a)-(b) 器件結構示意圖和剖面SEM照片

(c)-(d) 器件能帶結構形成前后的示意圖

(e) 不同外加應變條件下的暗場I-V曲線

(f)-(g) 兩種波長光照條件下的光場I-V曲線

圖2、壓電光電子學效應對器件光響應特性的調制

(a)-(b) 兩種波長光照條件下的光場I-V曲線受外加應變的影響

(c)-(d) 兩種波長光照條件下器件光電流受外加應變的影響

圖3、壓電光電子學效應對光響應度的影響

(a)和(c) 器件對405 nm光照的光響應度及其相對變化量受外加應變的影響規律

(b)和(d) 器件對648 nm光照的光響應度及其相對變化量受外加應變的影響規律

圖4、正負極性壓電電荷相互耦合、共同作用過程的工作機制示意圖

【小結】

該研究工作不僅實現了壓電光電子學效應對n-Si/n-ZnO/p-PEDOT:PSS三層異質結光電探測器件響應性能的大幅調制，而且為壓電光電子學效應，特別是不同極性壓電電荷的相互耦合、共同作用在三層甚至多層半導體器件中的應用提供了實驗和理論基礎。

【文獻鏈接】

Optimization of Si/ZnO/PEDOT:PSS Tri-Layer Heterojunction Photodetector by Piezo-Phototronic Effect Using Both Positive and Negative Piezoelectric Charges (Nano Energy, 2018, DOI：10.1016/j.nanoen.2018.03.025)

【課題組簡介】

賀永寧，西安交通大學電子與信息工程學院微電子學院教授，博士研究生導師。主要從事納米電子器件和微波無源器件等研究工作，致力于推進前沿探索研究和產學研合作。近20年來在納米結構及其先進傳感器方向聚焦氧化鋅半導體納米陣列、薄膜以及單晶器件的紫外探測和核輻射探測問題，長期探索實現了基于高阻ZnO的高性能紫外探測器件和納秒脈沖X射線探測器件，在該方面承擔了科技部重點專項子任務、多項國家自然基金項目等。開拓性地提出將微電子學領域先進微納結構的制造方法應用于微波大功率無源器件的表面處理，將微波器件微放電閾值提高6dB之上；同期提出并探索微波無源器件射頻電連接極弱非線性接觸特性的建模研究，在國際上率先發表了微波無源器件因電接觸導致的無源互調近似顯性解析方程。在該方面曾承擔并完成國防973項目3個專題及相關航天合作重點基金項目等。近年來帶領課題組師生在Advanced Materials、IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques、Applied Physics Letters、Journal of Applied Physics、Physics of Plasma、物理學報等國內外著名學術期刊上發表論文60余篇，申請國家發明專利8項。

賀永寧教授個人主頁：http://gr.xjtu.edu.cn/web/yongning

彭文博，西安交通大學電子與信息工程學院微電子學院講師，碩士研究生導師。已發表SCI論文30余篇，主要從事基于低維壓電半導體材料的新型半導體光電器件、壓電電子學與壓電光電子學、摩擦電子學、摩擦納米發電機、聲表面波器件與傳感器等研究工作。

彭文博講師個人主頁：http://gr.xjtu.edu.cn/web/wpeng33

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