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Adv. Mater.合肥工业大学:石墨烯-β-氧化镓肖特基结用于高性能深紫外探测器

合肥工业大学罗林保教授课题组研究表明石墨烯与高质量的β-Ga2O3单晶片构成的深紫外光电探测器具有结构简单、成本低,探测效率高,稳定性好等特点。

【引言】

光电探测器,是最重要的光电器件之一,在一定光功率下它能够感应电磁辐射。与红外光电探测器相比,深紫外光电探测器(探测光波长为280 nm以下)也称为“日盲型”探测器,在军事上的潜在应用更为重要——如军事侦查、目标检测以及导弹预警和控制等,因此近年来引起了高度的关注。一般深紫外光电探测器运用宽禁带半导体来制备,与金属电极不易形成良好的接触,且常见的深紫外光电探测器量子效率和响应度也比较低,这就限制了器件在光电系统中的应用。基于石墨烯与β-Ga2O3构成的深紫外光电探测器的成功制备,对254 nm紫外光具有达到39.3A/W的高响应度,探测率高达5.92×10^13 Jones,相关研究表明该探测器有望在光电系统中具有重要的潜在应用。

【成果简介】

合肥工业大学罗林保教授课题组研究表明石墨烯与高质量的β-Ga2O3单晶片构成的深紫外光电探测器具有结构简单、成本低,探测效率高,稳定性好等特点。经测试,该器件在20V偏压下的探测率高达5.92×10^13 Jones,且它的量子效率达到了1.96×10^4 %,这一项研究显示改进的MSM的结构能提高光信号的利用率,在254 nm光谱的位置,器件的光电流达到了mA级,且构成器件的半导体是高质量的体材料,使得器件在性能上重复性更好,稳定性更为优越。同时,器件的光谱响应分析结果表明该器件具有优异的光谱选择性。

【图文导读】

图1 深紫外光电探测器的结构示意图及相应的材料表征结果

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(a, b)分别是深紫外光电探测器的结构示意图(a图)和该器件的数码照片图(图b),其中器件的标尺为2 cm;
(c, d)分别是β-Ga2O3单晶片表面上石墨烯的场发射扫描电子显微镜(FESEM)和原子力显微镜(AFM)表征图;
(e, f)分别是石墨烯(e图上部分)以及β-Ga2O3单晶片(e图下部分)的拉曼光谱图和器件在室温下暗电流I-V测试的曲线(图f),插图显示了器件具有典型的两个背靠背的肖特基结。

图2 深紫外光电探测器的I-V 、I-T特性曲线和器件的稳定性测试

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(a, b)分别在室温时器件的暗电流(黑色)和光电流(红色)曲线,其中图a、图b光电流曲线分别是在365 nm和254 nm光照下所测得,图b中的插图显示的是以对数坐标得到的I-V曲线;
(c)在室温4V偏压下,对器件所测得55个ON/OFF循环,其中前面部分是50个循环,后续的5个循环是器件过了一个月之后在相同条件下所测得的曲线,结果表明该器件重复性好,稳定性强;
(d, e)分别是在不同偏压下所测的I-T曲线(d图)和I-V曲线(e图),表明在一定范围内电流随着外加偏压的增大而增大。

图3 深紫外光电探测器的光电流与254nm光照强度的关系

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(a) 深紫外光电探测器在254nm光照下所测出的不同光强度的I-V曲线;
(b) 该器件在不同光照强度下光响应的I-T曲线;
(c) 拟合出器件光电流与光照强度之间的关系,其中θ值为0.73。

图4 深紫外光电探测器的响应度、探测率以及外部量子效率的测试

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(a) 深紫外光电探测器在不同偏压下的响应度和探测率。左边红色菱形表示的是响应度,右边蓝色圆形表示的是探测率;
(b) 器件在不同偏压下的外部量子效率;
(c) 器件在不同光照强度下的响应度和探测率。左边红色正方形表示的是响应度,右边蓝色圆形表示的是探测率;
(d) 器件在不同光照强度下的外部量子效率。

图5 深紫外光电探测器的光谱响应和工作机理图

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(a) 深紫外光电探测器的光谱响应图,结果表明该器件具有非常明显的光谱选择性;
(b) 深紫外光电探测器的工作机理示意图,左边为多层石墨烯(MLG)电极,中间是高质量的β-Ga2O3单晶片,右边是铬(Cr)电极。

【总结】

该项研究表明,改进深紫外光电探测器的MSM结构和半导体β-Ga2O3与金属的接触能够明显提高深紫外光电探测器的光信号利用率和器件在“日盲区域”的光电转化效率以及探测率,同时器件的光电流达到了mA级。更值得人注意的是,该器件展现出重复性好、稳定性强的优异性能,且器件在深紫外区域的响应非常明显,这些优异的特性为器件能更好的应用于光电系统奠定了有力的基础。此项研究成果对于提升和改善我国的深紫外光电探测技术水平具有重要的参考意义。

文献链接:Graphene-β-Ga2O3 Heterojunction for Highly Sensitive Deep UV Photodetector Application (Adver. Mater., 2016, DOI: 10.1002/adma.201604049)

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