低温原子层沉积法制备ZnO薄膜p–i–n结构紫外光电探测器的瞬态响应特性与性能优化

研究人员针对传统紫外光电探测器响应速度慢、稳定性差的问题，采用低温原子层沉积（ALD）技术在SiO2–Si基底上构建p–i–n结构ZnO薄膜器件。该器件在0 V偏压下灵敏度达1.17，18 V时响应度达3.82×102 A W-1，响应时间仅0.3 s，为可穿戴紫外监测提供了高性能解决方案。

　　

紫外光探测技术在环境监测、生物医学等领域具有重要应用，但传统器件面临响应速度慢、可见光干扰大等挑战。氧化锌（ZnO）因其3.37 eV宽禁带特性成为理想材料，然而溶胶-凝胶法等制备技术存在结晶质量差、掺杂不均匀等问题，导致器件暗电流高、稳定性不足。尤其需要解决的是，硅基器件在可见光波段的寄生响应严重制约了紫外选择性。

固态物理实验室的研究团队通过低温原子层沉积（Atomic Layer Deposition, ALD）技术，在120°C条件下于热氧化硅（SiO₂–Si）基底上生长200 nm厚ZnO薄膜，构建p型硅/绝缘层SiO₂/n型ZnO的p–i–n异质结器件。该研究发表于《Optical Materials》，揭示了ALD-ZnO薄膜的(110)晶面择优取向特性，通过精确控制氧空位缺陷态，实现了室温下0.05 mW cm^-2弱紫外光（365 nm）的高灵敏度探测。

关键技术包括：1）采用Hind High Vac ALD 150系统进行1200次循环沉积；2）通过X射线衍射（XRD）和原子力显微镜（AFM）表征薄膜结晶性与表面形貌；3）利用Keithley 4200-SCS分析系统测量偏压依赖的瞬态响应；4）基于紫外-可见光谱计算3.07 eV的调谐带隙。

Morphological and Structural Analysis
XRD显示ZnO薄膜呈纳米晶结构，(110)晶面衍射峰强度占比达78%，AFM测得表面粗糙度仅2.3 nm。紫外吸收边红移现象证实氧空位导致带隙窄化至3.07 eV，拓展了UVA波段（315-400 nm）响应范围。

Bias-Dependent Carrier Dynamics
在0 V自驱动模式下，器件依靠内建电场实现1.17的灵敏度，暗电流低至nA级。18 V偏压下，电场加速载流子分离使响应度达382 A W^-1，外量子效率（EQE）突破1300%，归因于ZnO中锌间隙原子提供的额外导电通道。

Photoresponse Mechanism
SiO₂中间层有效阻挡硅基底的光生载流子注入，使紫外选择性比达10³量级。瞬态分析显示0.2 s的快速衰减源于氧空位缺陷辅助的复合过程，而0.3 s的上升时间与界面陷阱态填充相关。

该研究通过低温ALD工艺实现缺陷工程调控，解决了硅基紫外探测器响应选择性差的行业难题。器件在零偏压下的自驱动特性显著降低功耗，18 V时7.14×10¹² Jones的探测率使其适用于可穿戴紫外剂量监测。作者Akhilesh Pandey等指出，该技术路线为下一代柔性光电子集成提供了材料基础，但需进一步优化ALD前驱体配方以抑制氧空位导致的基线漂移。这项工作标志着硅兼容ALD-ZnO器件向产业化迈出关键一步。