High Responsivity Flexible β-Ga 2 O 3 /IGZO Ultraviolet Photodetectors Enabled by Zr-Modulated Quasi-Two-Dimensional Electron Gas Interfacial Confinement

响应度 光电探测器 紫外线 材料科学 异质结 光电子学 电子 量子点 暗电流 量子效率 钝化 氮化镓 纳米技术 工作职能 载流子寿命 无定形固体 氧化铟锡 光伏 量子阱 电子迁移率 氧化物 纳米棒 二极管
作者
Jiangyiming Jiang,Simeng Wu,Zijian Ding,Qian Xin,Yun Tian
出处
期刊:ACS Photonics [American Chemical Society]
卷期号:12 (11): 5884-5892 被引量:2
标识
DOI:10.1021/acsphotonics.5c00975
摘要

Quasi-two-dimensional electron gas (quasi-2DEG), with unique quantum confinement and high electron mobility, holds transformative promise for flexible Ga2O3-based heterojunction ultraviolet photodetectors (UVPDs). However, the intrinsic contradiction between flexible-limit temperature and crystalline quality induces oxygen vacancy (VO) related recombination in amorphous Ga2O3, suppressing quasi-2DEG formation and crippling UVPDs’ performance. Herein, we devise a Zr-modulated interface engineering strategy, where Zr-doped β-Ga2O3 (ZrGaO) films with ultralow VO concentrations are synergistically integrated with indium gallium zinc oxide (IGZO) to construct flexible heterojunction UVPDs. Zr incorporation effectively passivates interfacial defects while inducing favorable band alignment, thereby successfully facilitating the formation of a quasi-2DEG at the interface. Notably, the quantum confinement effect resulted in a significant 2.1-fold increase in carrier mobility, enabling a synergistic improvement in carrier transport efficiency and photogenerated electron–hole separation. Ultimately, the device demonstrates exceptional performance metrics under 254 nm illumination: an ultrahigh photo-to-dark current ratio of 1.37 × 105, remarkable responsivity of 1.65 × 102 A W–1, and detectivity reaching 1.06 × 1014 Jones, surpassing most reported flexible UVPDs. Furthermore, the flexible device retained stable optoelectronic performance after 1,000 bending cycles under varying angles, demonstrating exceptional mechanical durability. This work demonstrates the potential of Zr-modulated interface engineering in inducing quasi-2DEG effects for flexible optoelectronics, establishing a scalable design strategy for next-generation high-performance wearable UV detection systems.
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