西安交大科研人员在压电光电子学效应研究方面取得新进展

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氧化锌（ZnO）是Ⅱ-Ⅵ族纤锌矿结构的半导体材料；另外，其激子束缚能(60meV)比GaN(24meV)、ZnS(39meV)等材料高很多，如此高的激子束缚能使它在室温下稳定，不易被激发(室温下热离化能为26meV)，降低了室温下的激射阈值，提高了ZnO材料的激发效率。基于这些特点，ZnO材料既是一种宽禁带半导体，又是一种具有优异光电性能和压电性能的多功能晶体。它既适合制作高效率蓝色、紫外发光和探测器等光电器件，还可用于制造气敏器件、表面声波器件、透明大功率电子器件、发光显示和太阳能电池的窗口材料以及变阻器、压电转换器等。

日、美、韩等发达国家已投入巨资支持ZnO材料的研究与发展，掀起世界ZnO研究热潮。据报道，日本已生长出直径达2英寸的高质量ZnO单晶；我国有采用CVT法已生长出了直径32mm和直径45mm、4mm厚的ZnO单晶。材料技术的进步同时引导和推进器件技术的进步，日本研制出基于ZnO同质PN结的电致发光LED；我国也成功制备出国际首个同质ZnO－LED原型器件，实现了室温下电注入发光。器件制备技术的进步，推动ZnO半导体材料实用化进程，由于其独特的优势，在国防建设和国民经济上将有很重要的应用。

由于ZnO材料的禁带宽度为3.37 eV并且其在室温下具有高达60 meV的激子束缚能，ZnO TFT也能够用来作为检测紫外光的光电晶体管器件。然而，目前ZnO TFT的性能调控主要依赖于复杂的制备工艺流程控制，大大提升了制造成本，且降低了其与其他电子器件的可集成性。

ZnO是一种同时具有半导体特性和压电特性的材料，通过利用其受到外加应变时在半导体器件界面处所产生的压电极化电荷，能够对半导体（光电）器件界面处（光生）载流子的产生、分离、输运以及复合等过程进行调控，从而有效地实现对半导体（光电）器件性能的有效调制，这些现象被称为压电电子学与压电光电子学效应。而基于压电电子学与压电光电子学效应，可以实现对ZnO TFT性能的有效调控。

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近日，在西安交通大学电信学院微电子学院贺永宁教授和彭文博博士的指导下，博士生潘子健和李芳沛等研究成员通过改变制备工艺以及引入紫外光照等方法调节了ZnO TFT中ZnO薄膜的载流子浓度，首次在ZnO TFT中系统地研究了不同载流子浓度条件下的压电电子学与压电光电子学效应。研究结果表明，当载流子浓度适中（10¹⁶至10¹⁷cm^-3）时，ZnO TFT的载流子迁移率及其紫外光响应特性能够通过引入压电电子学与压电光电子学效应获得显著增强；然而当载流子浓度很低（小于10¹⁵cm^-3）或很大（大于10¹⁸cm^-3）时，压电电子学与压电光电子学效应则基本不起作用。这主要归因于ZnO材料中压电特性与半导体特性的竞争以及其内部载流子存在所导致的屏蔽效应。这项研究成果不仅揭示了ZnO TFT中载流子浓度对压电电子学与压电光电子学效应影响的底层物理机制，也为ZnO TFT性能的有效调控提供了一种全新的思路。

该研究成果以“Carrier Concentration-Dependent Piezotronic and Piezo-Phototronic Effects in ZnO Thin-Film Transistor”为题，发表在纳米能源与材料领域顶级期刊 Nano Energy（IF=12.343）上。西安交大学电信学院微电子学院为该论文唯一单位。该工作还得到了国家自然科学基金青年项目、中国博士后科学基金面上项目等经费的支持。随着薄膜制备工艺的不断发展，ZnO薄膜的制备及其特性研究仍然是该领域研究的热门之一，研究工作者也在寻求最优化薄膜生长条件和工艺，从而获得更加有实际价值的薄膜，ZnO薄膜虽然有了几十年的研究历史，但是目前还有很广的研究前景。

文章链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285518303185

文章来源：西安交通大学新闻网

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