中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
二維材料及其異質(zhì)結構在發(fā)展具有高增益、響應和信噪比的雪崩光電探測器（APD）方面顯示出巨大的潛力。其中石墨烯以其超薄的厚度、卓越的載流子遷移速度、微小的帶隙以及出色的柔韌性而備受關(guān)注。單層石墨烯（SLG）與半導體材料通過(guò)范德華力結合時(shí)可以形成一種特殊的結，從而有效抑制暗電流和器件噪聲。盡管如此，SLG的光吸收能力相對較低，僅為2.3%，這在一定程度上限制了其在光電探測器的性能。宏觀(guān)組裝石墨烯納米膜（nMAG）因其在大面積均勻合成、高結晶度和可調節厚度方面的優(yōu)勢，展現出作為高性能光電探測器的潛力。nMAG在紅外波段的光吸收率高達40%，并且能夠實(shí)現與襯底原子級緊密結合。
浙江大學(xué)高分子系高超教授與集成電路學(xué)院徐楊教授組成的研究團隊成功研制了一種新型光電探測器，通過(guò)nMAG與外延硅（epi-Si）集成，制備了具有低缺陷密度異質(zhì)結和優(yōu)異性能的光譜依賴(lài)性的垂直異質(zhì)結構光電探測器。這項創(chuàng )新成果以“Multilayer Graphene/Epitaxial Silicon Near-Infrared Self-Quenched Avalanche Photodetectors”為題，發(fā)表在Advanced Optical Materials期刊上。
該研究團隊提出了一種基于nMAG和epi-Si構成的異質(zhì)結構光電探測器。高結晶nMAG具有一些皺紋但表面平坦，被轉移到輕摻雜的epi-Si上以形成nMAG/epi-Si異質(zhì)結器件（如圖1a）。為了充分利用多層石墨烯的高吸收系數和epi-Si的低碰撞電離系數比，多層石墨烯作為主要光吸收層，拓寬硅基光電探測器的探測波段，尤其是在紅外波段；而輕摻雜的epi-Si則作為光生電子倍增區，有效抑制了熱載流子的產(chǎn)生和倍增；重摻雜的襯底硅可在硅半導體和金屬電極之間形成歐姆接觸，改善電流傳輸效率，從而減少整體功耗，提升能效。nMAG/epi-Si異質(zhì)結光電探測器在雪崩模式下還展現出自淬滅和高增益的特性，可在1550 nm的波長(cháng)下工作。圖2和圖3展示了nMAG/epi-Si 器件在紅外波長(cháng)下的光響應評估。
圖1 nMAG/epi-Si光電探測器的示意圖和相關(guān)特性
圖2 nMAG/epi-Si光電探測器的光譜依賴(lài)性和光開(kāi)關(guān)特性
圖3 nMAG/epi-Si光電探測器在1550 nm波長(cháng)下的表征
當偏置電壓增加時(shí)，nMAG層充當nMAG/epi-Si器件中近紅外長(cháng)波光譜的吸收層，如圖 4a 所示。另一方面，輕摻雜的epi-Si層用作乘法層，通過(guò)控制施加的偏置，可以調整nMAG層中的電場(chǎng)，在其中吸收光并產(chǎn)生光載流子。光生電子在相對較寬的耗盡區內的大內電場(chǎng)下獲得較大的動(dòng)能，并且可以通過(guò)與晶格中的價(jià)電子進(jìn)行碰撞電離來(lái)實(shí)現雪崩倍增，從而產(chǎn)生自由電子呈指數增長(cháng)，導致光電流迅速增加。nMAG/epi-Si APD在相對較小的反向偏置下觀(guān)察到內部倍增效應，提取的增益值高達1123，這比大多數基于二維材料報道的APD都要高。在1550 nm波長(cháng)下，nMAG/epi-Si APD表現出2.51 mA W?1的高響應度和的2.67 × 10? Jones探測率，高于沒(méi)有雪崩的光電二極管（如圖4d）。
圖4 nMAG/epi-Si APD的工作機制和雪崩倍增特性
此外，nMAG/epi-Si光電探測器作為光信號接收器集成到光通信系統中以測量眼圖，進(jìn)一步證明了其在實(shí)際光學(xué)應用中的可行性，如圖5所示。nMAG/epi-Si APD表現出低噪聲電流，其快速響應能力使其應用于近紅外通信數據鏈路時(shí)，最大實(shí)時(shí)數據傳輸速率達到38 Mbps。另外，該光電探測器還可以在室溫下用于近紅外雙色探測，并已成功實(shí)驗。
圖5 近紅外光通信的性能表征
這項研究將為基于二維材料硅基異質(zhì)結構的光電探測應用提供新的思路，也為基于二維/硅異質(zhì)結構的光通信器件和近紅外圖像傳感器的開(kāi)發(fā)提供了指導。
