西安交大Nano Energy：同时利用正负压电电荷的压电光电子学效应调制三层异质结光电器件性能

【引言】

压电光电子学效应是利用压电半导体材料在受到外加应变时所产生的压电电势/压电电荷调控器件界面/结处的能带结构和光生载流子行为，进而对器件性能进行调制的一种新型效应。近年来，有关压电光电子学效应调制光电器件性能的研究工作通常只利用了单一极性（正性或负性）的压电电荷，而忽视了另一极性压电电荷的作用。关于两种压电电荷相互耦合、共同作用过程的分析与讨论鲜见报道。

【成果简介】

近日，在西安交通大学电子与信息工程学院微电子学院贺永宁教授和彭文博博士讲师的指导下，李芳沛和潘子健等研究成员通过制备n-Si/n-ZnO/p-PEDOT:PSS三层异质结光电探测器件，实现了正性和负性压电电荷在同一光电器件中的应用，并从物理机制出发研究了两种压电电荷共同作用的压电光电子学效应对器件光响应性能调控的规律。通过采用不同波长的入射光作用在器件的不同异质结处，研究人员测试了不同外加压缩应变条件下器件的光响应特性：引入压电光电子学效应后，器件的光响应度最大提升3000%，灵敏度最大提升2000%。研究人员还揭示了正性和负性压电电荷对异质结处能带结构和光生载流子行为的相互耦合、共同调控作用的过程。相关研究成果以“Optimization of Si/ZnO/PEDOT:PSS Tri-Layer Heterojunction Photodetector by Piezo-Phototronic Effect Using Both Positive and Negative Piezoelectric Charges”发表在Nano Energy上（Nano Energy, 2018, 48, 27-34）。

【图文导读】

图1、n-Si/n-ZnO/p-PEDOT:PSS三层异质结光电探测器件的基本特性表征

(a)-(b) 器件结构示意图和剖面SEM照片

(c)-(d) 器件能带结构形成前后的示意图

(e) 不同外加应变条件下的暗场I-V曲线

(f)-(g) 两种波长光照条件下的光场I-V曲线

图2、压电光电子学效应对器件光响应特性的调制

(a)-(b) 两种波长光照条件下的光场I-V曲线受外加应变的影响

(c)-(d) 两种波长光照条件下器件光电流受外加应变的影响

图3、压电光电子学效应对光响应度的影响

(a)和(c) 器件对405 nm光照的光响应度及其相对变化量受外加应变的影响规律

(b)和(d) 器件对648 nm光照的光响应度及其相对变化量受外加应变的影响规律

图4、正负极性压电电荷相互耦合、共同作用过程的工作机制示意图

【小结】

该研究工作不仅实现了压电光电子学效应对n-Si/n-ZnO/p-PEDOT:PSS三层异质结光电探测器件响应性能的大幅调制，而且为压电光电子学效应，特别是不同极性压电电荷的相互耦合、共同作用在三层甚至多层半导体器件中的应用提供了实验和理论基础。

【文献链接】

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)

【课题组简介】

贺永宁，西安交通大学电子与信息工程学院微电子学院教授，博士研究生导师。主要从事纳米电子器件和微波无源器件等研究工作，致力于推进前沿探索研究和产学研合作。近20年来在纳米结构及其先进传感器方向聚焦氧化锌半导体纳米阵列、薄膜以及单晶器件的紫外探测和核辐射探测问题，长期探索实现了基于高阻ZnO的高性能紫外探测器件和纳秒脉冲X射线探测器件，在该方面承担了科技部重点专项子任务、多项国家自然基金项目等。开拓性地提出将微电子学领域先进微纳结构的制造方法应用于微波大功率无源器件的表面处理，将微波器件微放电阈值提高6dB之上；同期提出并探索微波无源器件射频电连接极弱非线性接触特性的建模研究，在国际上率先发表了微波无源器件因电接触导致的无源互调近似显性解析方程。在该方面曾承担并完成国防973项目3个专题及相关航天合作重点基金项目等。近年来带领课题组师生在Advanced Materials、IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques、Applied Physics Letters、Journal of Applied Physics、Physics of Plasma、物理学报等国内外著名学术期刊上发表论文60余篇，申请国家发明专利8项。

贺永宁教授个人主页：http://gr.xjtu.edu.cn/web/yongning

彭文博，西安交通大学电子与信息工程学院微电子学院讲师，硕士研究生导师。已发表SCI论文30余篇，主要从事基于低维压电半导体材料的新型半导体光电器件、压电电子学与压电光电子学、摩擦电子学、摩擦纳米发电机、声表面波器件与传感器等研究工作。

彭文博讲师个人主页：http://gr.xjtu.edu.cn/web/wpeng33

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