基于石墨烯电极的Ga₂O₃/SiC紫外光电探测器性能增强研究

作者及发表信息
本研究的通讯作者为Zhenping Wu和Weihua Tang，团队来自北京邮电大学理学院光电子材料与器件实验室（Laboratory of Optoelectronics Materials and Devices）及信息光子学与光通信国家重点实验室（State Key Laboratory of Information Photonics and Optical Communications），合作者包括美国纽约州立大学波茨坦分校物理系的Linghong Li。研究成果发表于2016年4月的《Journal of Alloys and Compounds》（Volume 680, pp. 247–251），标题为《Enhanced Ga₂O₃/SiC ultraviolet photodetector with graphene top electrodes》。

学术背景与研究目标
紫外光电探测器在200-280 nm的“日盲区”（solar-blind region）具有独特优势，因臭氧层吸收背景干扰少，可应用于高信噪比探测。β-Ga₂O₃（单斜晶系氧化镓）因其~4.9 eV的宽禁带特性成为理想材料，但传统金属电极（如Au/Ti）会降低光透过率，限制器件性能。本研究提出以单层石墨烯（monolayer graphene, MLG）作为透明顶电极，通过提升光利用率和载流子传输效率，增强β-Ga₂O₃/4H-SiC异质结探测器的紫外响应。

研究流程与方法
1. 材料制备与表征
- 薄膜生长：采用激光分子束外延技术（L-MBE）在750℃、10⁻³ Pa氧气氛围下，于8°偏角n型4H-SiC衬底上沉积300 nm厚的β-Ga₂O₃薄膜，并通过原位退火减少氧空位。
- 石墨烯转移：通过化学气相沉积（CVD）在铜基底上生长单层石墨烯，以PMMA为支撑层，FeCl₃蚀刻铜后转移至β-Ga₂O₃表面，经丙酮清洗去除PMMA。
- 对比电极制备：采用射频磁控溅射在相同样品上沉积Au（10 nm）/Ti（2 nm）电极作为对照组。

1. 结构表征

   • X射线衍射（XRD）：确认β-Ga₂O₃薄膜为（201）晶向择优生长（图1b）。
     
   • 反射高能电子衍射（RHEED）：显示薄膜表面平滑且结晶质量高（图1b插图）。
     
   • 拉曼光谱：石墨烯的2D峰（2690 cm⁻¹）与G峰（1591 cm⁻¹）强度比为2.32，缺陷D峰（1350 cm⁻¹）几乎不可见，证明其高质量（图1c）。
     

2. 器件性能测试

   • 电流-电压（I-V）特性：在254 nm、365 nm和532 nm光照下测试器件响应，石墨烯电极器件在254 nm紫外光下整流特性更显著（图2）。
     
   • 光响应度（Responsivity）：通过公式 ( R = (I{\text{light}} - I{\text{dark}})/(P \cdot S) ) 计算，石墨烯电极器件在-5 V偏压下的响应度达0.18 A/W，较Au/Ti电极（7.14×10⁻⁴ A/W）提升两个数量级（图3d）。
     
   • 时间响应：双指数拟合显示石墨烯电极的上升时间常数（τ{r1}=0.65 s，τ{r2}=7.8 s）快于Au/Ti电极（τ{r1}=2.14 s，τ{r2}=25.74 s），归因于石墨烯-β-Ga₂O₃肖特基势垒的高效载流子分离（图4c-d）。
     

主要结果与逻辑关联
1. 光电性能提升：石墨烯电极器件的明暗电流比（I{\text{light}}/I{\text{dark}}）在-1.3 V偏压下达63.31，较Au/Ti器件（4.81）提升10倍（表1），得益于石墨烯的高透光率（>97%）和低电阻。
2. 能带结构分析：β-Ga₂O₃（电子亲和势4.0 eV）与4H-SiC（3.45 eV）的导带偏移（0.55 eV）形成内建电场，促进光生载流子分离（图1d）。
3. 快速响应机制：石墨烯电极的短上升时间归因于其与β-Ga₂O₃界面的肖特基势垒加速载流子提取，而衰减时间（τ{d1}=1.73 s，τ{d2}=15.22 s）与氧空位缺陷相关。

结论与价值
1. 科学价值：首次将石墨烯透明电极应用于β-Ga₂O₃/SiC异质结探测器，揭示了界面肖特基势垒对载流子输运的调控作用。
2. 应用前景：该设计为日盲紫外探测器提供了高响应度、低成本的解决方案，适用于环境监测、军事侦察等领域。

研究亮点
1. 创新方法：结合L-MBE外延生长与CVD石墨烯转移技术，实现异质结与透明电极的集成。
2. 性能突破：响应度提升250倍，明暗电流比显著优化。
3. 机制阐释：通过能带工程与界面调控，明确了石墨烯电极在宽禁带半导体器件中的优势。

其他价值
本研究获中国国家自然科学基金（51572033等）及国家重点研发计划（973计划）支持，为宽禁带半导体光电器件设计提供了新范式。