基于铁电栅极材料的场效应光电器件

The conventional field effect optoelectronic devices use low dielectric constant oxide as the gate material, which suffers from the problem of low electrostatic doping efficiency and high working voltage. Ferroelectric material emerged as an attractive gating dielectric due to its ultrahigh dielectric constant, tunable polarization direction and large remanent polarization. With the using of ferroelectric gate, the electrostatic doping efficiency will be improved and the gate voltage will also be reduced significantly. This research project will focus on the prospects of ferroelectric thin film as the gate material in field effect optoelectronic devices. First of all, high quality ferroelectric thin films will be grown on SrTiO3 substrates via pulsed laser deposition and magnetron sputtering, the crystal quality and ferroelectric performance will be optimized through post annealing in a strong electric field. Then, the electrostatic doping property in ferroelectric / semiconductor heterostructure will be explored systematically. Finally, the field effect photoelectric device with ferroelectric gate will be fabricated, electric injected light emitting and weak light detecting will be also realized in ferroelectric gate based field effect photoelectric device.

常规的场效应光电器件使用低介电常数的氧化物作为栅极材料，存在静电掺杂效率低，工作电压过高的问题。铁电材料由于具有超高的介电常数，其极化方向可以随着电场方向进行翻转，并且具有较大的剩余极化强度，因此铁电材料用作场效应光电器件的栅极材料可以显著提高静电掺杂效率，降低器件的栅极电压。本申请将着重研究铁电薄膜在场效应光电器中的应用前景。首先，通过脉冲激光沉积和磁控溅射，在钛酸锶衬底上生长高质量铁电薄膜，并通过在强电场下进行退火，优化薄膜的晶体质量和铁电性能；然后制作铁电/半导体异质结，研究铁电栅极对半导体材料静电掺杂的行为；最后基于铁电栅极材料制作场效应光电器件，实现场效应发光器件的电注入发光以及场效应探测器对弱光的探测。

常规的场效应光电器件使用低介电常数的氧化物作为栅极材料，存在静电掺杂效率低，工作电压过高的问题。铁电材料由于具有超高的介电常数，其极化方向可以随着电场方向进行翻转，并且具有较大的剩余极化强度，因此铁电材料用作场效应光电器件的栅极材料可以显著提高静电掺杂效率，降低器件的栅极电压。基于此，我们首先利用磁控溅射的方法在Si衬底上制备了PbZrTiO3铁电薄膜，并对薄膜的晶体结构、铁电特性等性质进行了系统的研究。在此基础上，我们制备了铁电栅控PbZrTiO3基缺陷辅助子带响应光电探测器和铁电栅控二维材料场效应光电探测器。测试结果表明，PbZrTiO3不仅可以作为光响应层，也可以作为铁电极化层来控制沟道材料的静电掺杂，并成功利用栅控静电掺杂实现了二维材料MoS2中横向p-n结的制备。此外，我们还研究了新型HfO2纳米晶材料的铁电特性，证明了其铁电极化来源于正交相结构的HfO2纳米晶，有望替代传统的铁电材料应用于栅控场效应光电器件中。最后我们制备了ZnO/CsPbBr3半导体异质结，系统研究了器件的光电特性。在-5 V的偏压下，器件的光响应度达到630 µA/W，其探测率为7 × 109 Jones，响应时间为61 µs（上升时间）和1.4 ms（下降时间）。以上研究为实现高性能的铁电栅控场效应光电器件打下了坚实的基础。