ACS Nano | 石墨烯赋能β-Ga₂O₃ 光电探测器！

研究背景

随着光电子学领域的发展，对于在深紫外（DUV）波长范围内实现高性能光电探测器的需求逐渐增加。在这个波长范围内，通常涵盖从UVB（280–315 nm）到UVC（100–280 nm）的光。这种需求的出现引起了对超宽带隙半导体材料的关注，这些材料具有宽广的带隙，可以实现对这一挑战性波长范围内光的高灵敏度探测。超宽带隙半导体材料，如氮化镓（GaN）、氮化铝（AlN）和氧化镓（Ga₂O₃），具有超宽带隙，使其能够覆盖UVB到UVC范围内的光，并具备优异的光电探测性能。然而，这些材料的应用也面临一系列挑战。例如，GaN材料的质量和生长方面的问题，以及AlGaN材料的高位错密度和难以实现的p型工艺。在这样的背景下，研究人员开始探索其他超宽带隙半导体材料的潜力，其中包括Ga₂O₃。相较于其他材料，Ga₂O₃具有更大的光学带隙（约4.8 eV）和良好的电学性能，例如高击穿电场和高饱和速度。此外，Ga₂O₃还具有熔融制备的优势和热稳定性。然而，即使是Ga₂O₃也存在一些挑战，如稳定性和光响应性能不佳。特别是，由于肖特基势垒和界面不均匀性导致的较高暗电流，Ga₂O₃基肖特基势垒光电二极管（SBPDs）存在一定的不稳定性和低响应度。

研究内容

在这一背景下，近日，韩国首尔建国大学物理系Jeehwan Kim和 You Seung Rim教授旨在利用石墨烯的优异性能来改善Ga₂O₃ SBPDs的性能。石墨烯具有广泛的光谱范围、超快的响应速度和高量子效率等优点，适合用于提高光电探测器的性能。本研究采用了一种层分辨石墨烯转移技术，将石墨烯单层插入到Ga₂O₃ SBPDs的结构中。通过这种方法，成功改善了SBPDs的暗电流、光响应性能和稳定性。同时，利用Kelvin探针力显微镜（KPFM）分析了石墨烯与Ga₂O₃样品的能带对准，为进一步理解器件性能提供了重要信息。以上成果在ACS Nano期刊发题为“Ultrahigh Photoresponsivity of W/Graphene/β-Ga₂O₃ Schottky Barrier Deep Ultraviolet Photodiodes”的研究论文。总的来说，本研究通过利用石墨烯的优异性能，成功改善了Ga₂O₃ SBPDs的性能，为深紫外光电探测器的发展提供了新的思路和方法。

图文导读

研究者采用了层分辨石墨烯转移技术和有限磁场溅射（CMFS）方法，成功地在W/β-Ga₂O₃肖特基势垒光电探测器中嵌入了石墨烯。研究者通过多个图示来详细展示了实验结果。首先，在图1中研究者呈现了β-Ga₂O₃ SBPD的制备过程和石墨烯引入的效果。通过拉曼光谱和透射电子显微镜图像，研究者证明了成功转移的石墨烯形成了单层，且在经过后退火处理后依然保持完整。

图 1 |  (a) 使用LRGT制备β-Ga₂O₃ SBPD的示意图，(b) 石墨烯转移后的β-Ga₂O₃的拉曼光谱，表明转移的石墨烯为单层，以及β-Ga₂O₃ SBPD的透射电子显微镜（TEM）图像，其中(c) 无石墨烯，(d) 有石墨烯，以及(e) 石墨烯经过后退火处理后的情况。

接着，通过图2展示了在石墨烯/β-Ga₂O₃样品中进行的Kelvin探针力显微镜（KPFM）实验。通过研究石墨烯和β-Ga₂O₃的表面电位差异，研究者定量分析了它们之间的电子能带对准情况。

图 2 | 石墨烯单层插入沉积的SBPD对(a) 暗电流的影响，(b) W/石墨烯/β-Ga₂O₃ SBPD的光电流，并与(c) W/β-Ga₂O₃ SBPD进行比较，(d) 光电流依赖于光功率密度（Pi），(e) W/β-Ga₂O₃和W/石墨烯/β-Ga₂O₃ SBPD的检测性和响应度以及(f) 在-10 V下的线性动态范围（LDR）图。

在图3和图4中，研究者比较了沉积和经过退火处理后的W/β-Ga₂O₃和W/石墨烯/β-Ga₂O₃ SBPD的性能。结果表明，石墨烯的引入显著降低了暗电流，提高了光电流，并在W/石墨烯/β-Ga₂O₃ SBPD中实现了理想的肖特基势垒高度。

图 3 | 石墨烯单层插入经退火处理的SBPD对(a) 暗电流的影响，(b) W/石墨烯/β-Ga₂O₃ SBPD的光电流，并与(c) W/β-Ga₂O₃ SBPD进行比较，(d) 光电流依赖于光功率密度（Pi），(e) W/β-Ga₂O₃和W/石墨烯/β-Ga₂O₃ SBPD的检测性和响应度以及(f) 在-10 V下的LDR图。

图 4 | 在不同光功率密度下，255 nm波长下的时间依赖光电流密度，包括(a) 沉积的W/石墨烯/β-Ga₂O₃ SBPD，(b) W/ β-Ga₂O₃ SBPD，与(d) 经退火处理的W/石墨烯/β-Ga₂O₃ SBPD，(e) 经退火处理的W/β-Ga₂O₃ SBPD；(c) 和(f) 分别为两种器件的提取界面态。

进一步，图5展示了在不同光功率密度下的时间依赖光电流密度，研究者观察到石墨烯插入后的器件在响应时间上的明显改善。

图 5 |  (a) 沉积的W/石墨烯/β-Ga₂O₃，(b) 沉积的W/β-Ga₂O₃，(c) 经后退火处理的W/石墨烯/β-Ga₂O₃和(d) 经后退火处理的W/β-Ga₂O₃ SBPD的光电流密度的上升和衰减时间，在255 nm波长下，光功率密度为1 mW/cm²。

最后，图6通过等高线图和光生电荷分布图详细研究了石墨烯的引入对电荷分布和复合速率的影响。石墨烯的引入显著提高了光生电荷的分离和传输效率，解决了传统SBPDs中存在的界面态密度和响应度问题。总体而言，本研究通过石墨烯的引入成功改善了W/β-Ga₂O₃ SBPD的性能，为深紫外光电探测器的设计和应用提供了一种新的有效途径。

图 6 | (a) 沉积的W/β-Ga₂O₃和(b) W/石墨烯/β-Ga₂O₃ SBPD的复合速率的等高线图。(c) W/石墨烯/β-Ga₂O₃和(d) W/β-Ga₂O₃ SBPD的光生电荷分布。(e) W/石墨烯/β-Ga₂O₃和(f) W/β-Ga₂O₃ SBPD的空穴分布。

结论展望

本文的科学在于探索了利用石墨烯在深紫外光电探测器中的应用。通过引入石墨烯作为肖特基势垒光电探测器的界面层，成功地改善了传统β-Ga₂O₃光电探测器的性能。这一研究启示我们可以通过在半导体器件中引入新型材料，如石墨烯等，来改善器件的性能和稳定性。同时，本研究也为其他深紫外光电器件的设计和优化提供了新的思路和方法。此外，采用了层分辨石墨烯转移技术和有限磁场溅射方法，为石墨烯在半导体器件中的应用提供了新的途径和解决方案。因此，本文的科学启迪在于鼓励和促进材料科学与半导体器件领域的交叉研究，为光电器件的性能提升和应用拓展提供了新的思路和方法。

该工作发表在ACS Nano上

文章链接（点击“阅读原文”）：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.3c12415