Han Wu、Yuanqi Huang、Yusong Zhi、Xia Wang、Xulong Chu、Zhengwei Chen、Peigang Li、Zhenping Wu和Weihua Tang等研究人员来自北京邮电大学信息功能材料与器件实验室，他们的研究成果《Single-layer graphene electrode enhanced sensitivity and response speed of β-Ga2O3 solar-blind photodetector》于2019年3月发表在《Optical Materials Express》期刊上。这项研究聚焦于深紫外（deep ultraviolet, DUV）光电探测器领域，通过创新性地采用单层石墨烯（single-layer graphene, SLG）电极替代传统金/钛（Au/Ti）电极，显著提升了β-Ga2O3金属-半导体-金属（MSM）结构探测器的性能。

学术背景

β-Ga2O3因其宽禁带（~4.8 eV）、高击穿电场（~8 MV/cm）及优异的化学稳定性，成为深紫外光电探测的理想材料。然而，传统MSM结构的β-Ga2O3探测器虽具备低暗电流和高响应度等优势，但其响应速度较慢，限制了实际应用。为解决这一问题，研究团队提出利用石墨烯的高载流子迁移率和宽光谱透明性（从深紫外到红外），设计新型电极界面，以优化载流子传输效率。

研究流程

1. 材料制备

   • β-Ga2O3薄膜沉积：采用射频磁控溅射技术，在蓝宝石（0001）衬底上生长β-Ga2O3薄膜。沉积条件为750°C、80 W功率、氩气氛围（1 Pa），耗时4小时。X射线衍射（XRD）分析证实薄膜为单一（201）晶向，紫外-可见吸收光谱显示其截止波长为260 nm，对应直接带隙4.8 eV。
     
   • SLG电极制备：通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）在铜箔上生长SLG，经聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）辅助转移至β-Ga2O3薄膜表面。拉曼光谱（G峰1593 cm⁻¹，2D峰2692 cm⁻¹，强度比2.71）证实SLG的高质量与单层特性。
     

2. 器件构建

   • 设计三种电极结构的探测器：SLG-SLG、SLG-Au/Ti和Au/Ti-Au/Ti。通过光刻和溅射工艺完成电极图案化，形成MSM结构。
     

3. 性能测试

   • 光电响应特性：在254 nm和365 nm光照下测试电流-电压（I-V）曲线。SLG-SLG器件在5 V偏压下光暗电流比（Ilight/Idark）达1.41×10⁴%，远高于Au/Ti器件（7×10²%）。
     
   • 响应速度：通过双指数模型拟合瞬态响应曲线，SLG-SLG器件的上升时间（τr）和衰减时间（τd）分别为0.078 s和0.060 s，比Au/Ti器件（τr1=0.32 s，τr2=2.9 s；τd1=0.41 s，τd2=7.7 s）快一个数量级。
     
   • 探测率（D*）：SLG-SLG器件的D*达6.16×10¹¹ Jones，优于Au/Ti器件（2.66×10¹¹ Jones）。
     

结果与机制分析

SLG电极的优势源于其界面能带调控作用：
- 暗态条件下：SLG与β-Ga2O3形成0.5 eV的势垒（Au/Ti为0.27 eV），抑制暗电流。
- 光照条件下：光生空穴在耗尽区积累，SLG的高透明性使势垒快速收缩，促进电子隧穿，从而提升响应速度和光电流。

结论与价值

该研究通过SLG电极设计，实现了β-Ga2O3探测器响应速度与灵敏度的协同优化，为高性能深紫外光电系统提供了低成本解决方案。其科学价值在于揭示了石墨烯-氧化物界面载流子动力学机制，应用价值体现在探测器在环境监测、军事侦察等领域的潜力。

研究亮点

1. 创新电极材料：首次将SLG应用于β-Ga2O3 MSM探测器，突破传统金属电极的局限性。
   
2. 性能突破：响应速度达亚秒级，光暗电流比提升20倍。
   
3. 机制阐释：通过能带工程阐明界面势垒调控对器件性能的影响。
   

此外，研究还对比了多种β-Ga2O3基探测器的性能参数（如表1），凸显了SLG电极的优越性。未来工作可进一步探索石墨烯与其他宽禁带半导体的集成策略。