Adv. Mater.合肥工業大學：石墨烯-β-氧化鎵肖特基結用于高性能深紫外探測器

【引言】

光電探測器,是最重要的光電器件之一,在一定光功率下它能夠感應電磁輻射。與紅外光電探測器相比，深紫外光電探測器（探測光波長為280 nm以下）也稱為“日盲型”探測器，在軍事上的潛在應用更為重要——如軍事偵查、目標檢測以及導彈預警和控制等，因此近年來引起了高度的關注。一般深紫外光電探測器運用寬禁帶半導體來制備，與金屬電極不易形成良好的接觸，且常見的深紫外光電探測器量子效率和響應度也比較低，這就限制了器件在光電系統中的應用。基于石墨烯與β-Ga2O3構成的深紫外光電探測器的成功制備，對254 nm紫外光具有達到39.3A/W的高響應度，探測率高達5.92×10^13 Jones，相關研究表明該探測器有望在光電系統中具有重要的潛在應用。

【成果簡介】

合肥工業大學羅林保教授課題組研究表明石墨烯與高質量的β-Ga2O3單晶片構成的深紫外光電探測器具有結構簡單、成本低，探測效率高，穩定性好等特點。經測試，該器件在20V偏壓下的探測率高達5.92×10^13 Jones，且它的量子效率達到了1.96×10^4 %，這一項研究顯示改進的MSM的結構能提高光信號的利用率，在254 nm光譜的位置，器件的光電流達到了mA級，且構成器件的半導體是高質量的體材料，使得器件在性能上重復性更好，穩定性更為優越。同時，器件的光譜響應分析結果表明該器件具有優異的光譜選擇性。

【圖文導讀】

圖1 深紫外光電探測器的結構示意圖及相應的材料表征結果

（a, b）分別是深紫外光電探測器的結構示意圖（a圖）和該器件的數碼照片圖（圖b），其中器件的標尺為2 cm；
（c, d）分別是β-Ga2O3單晶片表面上石墨烯的場發射掃描電子顯微鏡（FESEM）和原子力顯微鏡（AFM）表征圖；
（e, f）分別是石墨烯（e圖上部分）以及β-Ga2O3單晶片（e圖下部分）的拉曼光譜圖和器件在室溫下暗電流I-V測試的曲線（圖f），插圖顯示了器件具有典型的兩個背靠背的肖特基結。

圖2 深紫外光電探測器的I-V 、I-T特性曲線和器件的穩定性測試

（a, b）分別在室溫時器件的暗電流（黑色）和光電流（紅色）曲線，其中圖a、圖b光電流曲線分別是在365 nm和254 nm光照下所測得，圖b中的插圖顯示的是以對數坐標得到的I-V曲線；
（c）在室溫4V偏壓下，對器件所測得55個ON/OFF循環,其中前面部分是50個循環，后續的5個循環是器件過了一個月之后在相同條件下所測得的曲線，結果表明該器件重復性好，穩定性強；
（d, e）分別是在不同偏壓下所測的I-T曲線（d圖）和I-V曲線（e圖），表明在一定范圍內電流隨著外加偏壓的增大而增大。

圖3 深紫外光電探測器的光電流與254nm光照強度的關系

（a） 深紫外光電探測器在254nm光照下所測出的不同光強度的I-V曲線；
（b） 該器件在不同光照強度下光響應的I-T曲線；
（c） 擬合出器件光電流與光照強度之間的關系，其中θ值為0.73。

圖4 深紫外光電探測器的響應度、探測率以及外部量子效率的測試

（a） 深紫外光電探測器在不同偏壓下的響應度和探測率。左邊紅色菱形表示的是響應度，右邊藍色圓形表示的是探測率；
（b） 器件在不同偏壓下的外部量子效率；
（c） 器件在不同光照強度下的響應度和探測率。左邊紅色正方形表示的是響應度，右邊藍色圓形表示的是探測率；
（d） 器件在不同光照強度下的外部量子效率。

圖5 深紫外光電探測器的光譜響應和工作機理圖

（a） 深紫外光電探測器的光譜響應圖，結果表明該器件具有非常明顯的光譜選擇性；
（b） 深紫外光電探測器的工作機理示意圖，左邊為多層石墨烯(MLG)電極，中間是高質量的β-Ga2O3單晶片，右邊是鉻（Cr）電極。

【總結】

該項研究表明，改進深紫外光電探測器的MSM結構和半導體β-Ga2O3與金屬的接觸能夠明顯提高深紫外光電探測器的光信號利用率和器件在“日盲區域”的光電轉化效率以及探測率，同時器件的光電流達到了mA級。更值得人注意的是，該器件展現出重復性好、穩定性強的優異性能，且器件在深紫外區域的響應非常明顯，這些優異的特性為器件能更好的應用于光電系統奠定了有力的基礎。此項研究成果對于提升和改善我國的深紫外光電探測技術水平具有重要的參考意義。

文獻鏈接：Graphene-β-Ga2O3 Heterojunction for Highly Sensitive Deep UV Photodetector Application?(Adver. Mater., 2016, DOI:?10.1002/adma.201604049)

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