深港微电子学院祝渊课题组在铁电/光电器件等领域取得系列进展

2023-02-15 科研聚焦 浏览量：15459

近日，南方科技大学深港微电子学院祝渊副教授团队在PZT铁电栅控光电探测器、HfO2阻变存储器和半导体光电探测器等方面取得系列进展，研究成果相继发表在SCI期刊Journal of Physics D: Applied Physics、Journal of Materials Chemistry C、Optics Express和Optics Letters上。以上工作得到了国家自然科学基金委和深圳市科创委的支持，南方科技大学为第一通讯单位。

带内光响应PZT栅控光电探测器

缺陷态引起的带内能级调控是拓展光电探测器响应谱带的一种手段，本研究利用磁控溅射的方法在Si衬底上制备了PZT铁电薄膜，通过调控制备过程中的生长参数，在PZT薄膜的禁带之间引入了深能级缺陷，并在材料的基础上制备了底栅结构的PZT光电探测器。由于PZT薄膜具有铁电性，其内部的铁电畴可以通过对底栅施加不同的偏压来控制其极化场的大小和方向，因此器件在450 nm蓝光的入射下，可以通过调控底栅偏压来控制源极-漏极之间光电流的大小和方向。本工作以“Sub-band response of PZT FET photodetector controlled by back-gate voltage,”为标题发表在Journal of Physics D: Applied Physics上，微电子学院博士生吕尤和陈安琪博士为论文的共同第一作者，祝渊副教授和研究副教授苏龙兴为论文的共同通讯作者。

图1. PZT光电探测器在（a）无光照条件和（b）450 nm光照下的响应特性；器件在（c）负栅偏压和（d）正栅偏压条件下的工作原理示意图。

HfO2阻变器件（RRAM）

人工突触器件因其优异的突触可塑性和模拟人脑的能力而备受关注，由于结构简单的RRAM器件可以很好地模拟人脑中神经突触的电信号传输，因此被视为未来信息技术中的神经形态计算单元。在众多氧化物中，HfO2具有高介电常数、宽带隙和性质稳定等优点，同时其制备技术成熟且可兼容CMOS工艺，因此HfO2作为中间介质层的RRAM器件在人工突触器件中展现出了巨大的潜力。本研究制备了单斜、正交和四方混合相的HfO2纳米晶。在此基础上，利用非常规的类陶瓷压片方法制备了MIM结构的RRAM器件，器件表现出优异的保持性能，能在室温下稳定工作10000 s，高低阻态切换的主要原因为电场偏置作用下VHf的迁移。此器件也可用来模拟人脑突触中电信号的传输行为，当前神经元受到刺激后将信号传递到后神经元，并产生兴奋性突触后电流（EPSC）。对器件施加脉冲后收集响应电流，电流呈现出急剧的初始衰减和缓慢的后续衰减，非常吻合人类的记忆行为。本研究首次报道了基于大量VHf的HfO2纳米晶的MIM结构器件，提出了一种关于阻态切换的新机制，为未来高性能神经网络器件的发展提供了新思路。本工作以“A two-terminal binary HfO2 resistance switching random access memory for artificial synaptic device”为标题发表在Journal of Materials Chemistry C上，微电子学院硕士生陈孝璋、博士生吕尤和研究助理教授田兆波博士为论文的共同第一作者，祝渊副教授和研究副教授苏龙兴博士为论文的共同通讯作者。

图2. （a）生物突触和人工突触电信号传输的示意图；（b）突触后电流的形成和衰减。

半导体光电探测器

光电探测器是一类将不同电磁波段的光转换成电信号的元器件，是现代信息光电子产业的重要组成部分，可广泛应用于工业检测、空间探测、光学成像和医学诊断等领域。不断地探索新的光电材料、器件结构和物理机理一直是本领域的热点。近年来，钙钛矿这类新材料由于其光学吸收系数大、载流子迁移率高以及激子扩散长度长等优点被广泛认为是下一代光电器件的明星材料。本研究在ZnO薄膜上制备了一层全无机钙钛矿CsPbBr3薄膜，构筑了具有Ⅱ型能带结构的异质结光电探测器，并与MSM结构的探测器进行了系统的对比。研究表明，CsPbBr3/ZnO异质结光电探测器具有较宽的响应谱带，覆盖了紫外波段到绿光波段。在负偏压的工作条件下，器件的响应速度达到61 μs（上升时间）和1.4 ms（下降时间），且器件在无偏压的条件下同样具有明显的响应特性。本工作以“A vertical CsPbBr3/ZnO heterojunction for photo-sensing lights from UV to green band”为标题发表在美国光学学会（OSA）旗下的期刊Optical Express上，研究副教授苏龙兴博士为论文的第一作者兼共同通讯作者，祝渊副教授为论文的共同通讯作者。

图3. CsPbBr3/ZnO异质结光电探测器的（a）稳态光电响应特性和（b）瞬态光电响应特性。 

此外课题组还联合中南大学刘芳洋教授和复旦大学马宏平副研究员利开发出一种一锅法来回收废旧铅酸电池中的有毒元素铅，制备成可再次进行销售的PbI2，整个回收过程中只需要廉价、容易获得的化学品。基于所回收的PbI2材料，本工作还进一步探究了PbI2作为光电器件响应层的可能性。本研究响应了国家提倡的绿色循环经济，目前中南大学团队已经在此方面开展了中试量产公斤级产品的研究。本工作以“A photodetector fabricated from 2H-PbI2 micro-crystals recycled fro waste lead acid batteries”为标题发表在美国光学学会（OSA）旗下的老牌期刊Optical Letters上，研究副教授苏龙兴博士和中南大学博士曾强为论文的共同第一作者，苏龙兴博士、刘芳洋副教授、马宏平副研究员为共同通讯作者。此外，本工作还被OSA和国内媒体《盖世汽车资讯》选为专题进行了跟踪报道。

图4. PbI2光电探测器的（a）能带结构示意图、（b）不同光照下的I-V曲线、（c-d）不同偏压条件下的光响应度和（e-f）不同偏压条件下的探测率。

相关研究论文列表：

1. Anqi Chen^#, You Lv^#, Longxing Su*, Yuan Zhu*, Sub-band response of PZT FET photodetector controlled by back-gate voltage, J. Phys. D: Appl. Phys., 2022, 55, 505104.

2. Xiaozhang Chen^#, You Lv^#, Zhaobo Tian^#, Jingxi Yang, Yuan Zhu*, Longxing Su*, A two-terminal binary HfO₂ resistance switching random access memory for artificial synaptic device, J. Mater. Chem. C, 2023, 11, 622.

3. Longxing Su*, Tinfeng Li, Yuan Zhu*, A vertical CsPbBr₃/ZnO heterojunction for photo-sensing lights from UV to green band, Opt. Express, 2022, 30, 23330.

4. Longxing Su^#*, Qiang Zeng^#, Zhiye Tan, Fangyang Liu*, Hongping Ma*, A photodetector fabricated from 2H-PbI₂ micro-crystals recycled fro waste lead acid batteries, Opt. Lett., 2023, 48, 872.