中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
紅外光電探測具有抗干擾性強、目標識別能力強、全天候工作、隱蔽性好等特點(diǎn)，在醫學(xué)、軍事、空間技術(shù)和環(huán)境工程等領(lǐng)域都發(fā)揮著(zhù)越來(lái)越重要的作用。其中無(wú)需外部額外電源即自主運行的自驅動(dòng)型光電探測芯片因其獨特的性能（如能量獨立性、高靈敏度和穩定性等）在紅外探測領(lǐng)域引起了廣泛的關(guān)注。相比之下，傳統的光電探測芯片，例如硅基或窄帶隙半導體基紅外芯片不僅需要額外的偏置電壓來(lái)驅動(dòng)分離光生載流子以產(chǎn)生光電流，而且需要額外的制冷系統以降低熱噪音提高響應度，因此已經(jīng)難以滿(mǎn)足未來(lái)新一代紅外探測芯片低功耗、小尺寸、低成本、高性能等新概念和新要求。
近日，山東大學(xué)集成電路學(xué)院和瑞典烏普薩拉大學(xué)（Uppsala University）的研究團隊提出了一種基于石墨烯納米帶（GNR）薄膜/氧化鋁/單晶硅的新型p-i-n異質(zhì)結型自驅動(dòng)短波紅外（SWIR）光電探測芯片。在異質(zhì)界面所觸發(fā)的的光門(mén)控效應和內置電場(chǎng)的共同作用下，芯片展示了零偏壓下的超高響應和探測性能。該光電探測芯片在自驅動(dòng)模式時(shí)響應率高達75.3 A/W，探測率為7.5 × 101? Jones，外量子效率接近104%，將同類(lèi)型硅基芯片的探測性能提高了創(chuàng )紀錄的7個(gè)數量級。此外，在常規驅動(dòng)模式下，芯片的響應率、探測率、外量子效率同樣高達843 A/W、101? Jones和105%，均為目前所報道研究的最高值。同時(shí)，這項研究還展示了該光電探測芯片在光通信和紅外成像領(lǐng)域的真實(shí)場(chǎng)景應用，體現了巨大的應用潛力。這項研究以“Superior self-powered infrared photodetector via semiconducting graphene-nanoribbons-based vertical heterojunctions”為題發(fā)表在A(yíng)pplied Physics Reviews期刊上。
圖1（a）展示了基于石墨烯納米帶/Al?O?/單晶硅的光電探測器的制造工藝。Al?O?界面層沉積在n型硅襯底上，Al?O?界面層通過(guò)改進(jìn)界面肖特基勢壘來(lái)降低暗電流，石墨烯納米帶薄膜作為p型材料沉積在A(yíng)l?O?界面上。
圖1 基于石墨烯納米帶/Al?O?/單晶硅的光電探測器的制造工藝和特性表征
為了系統地研究基于石墨烯納米帶/Al?O?/單晶硅的光電探測器的光電性能，研究人員對其靜態(tài)（電流-電壓曲線(xiàn)）和動(dòng)態(tài)特性響應（電流-時(shí)間曲線(xiàn)）進(jìn)行了測試，相關(guān)結果如圖2所示。
圖2 基于石墨烯納米帶/Al?O?/單晶硅的光電探測器的光電特性
為了系統評估基于石墨烯納米帶/Al?O?/單晶硅異質(zhì)結構光電探測器在不同偏置電壓下的光學(xué)響應特性，研究人員測量了該器件在0 V、-1 V、-3 V和-5 V偏置下的動(dòng)態(tài)電流響應，光功率密度為8.15 μW/cm2。光電流隨反向偏置增加而上升，并在所有偏置電壓下表現出快速響應速度，相關(guān)結果如圖3所示。
圖3 不同光功率密度和不同偏置電壓下，基于石墨烯納米帶/Al?O?/單晶硅的光電探測器的探測率和外部量子效率（EQE）
為了闡明基于石墨烯納米帶/Al?O?/單晶硅的光電探測器中高響應度的來(lái)源，圖4（a）展示了光照下能帶結構和載流子分布圖，從而揭示了增強光響應的機制。
圖4 基于石墨烯納米帶/Al?O?/單晶硅的光電探測器的探測機制以及與其他研究的比較
最后，研究人員制造了成像系統，成功實(shí)現了短波紅外的自供電成像；系統在零偏置下工作，無(wú)任何能耗。使用帶有字母“T”圖案的黑色掩模來(lái)評估該光電探測器的成像能力（如圖5）。
圖5 短波紅外成像系統的示意圖和成像結果
綜上所述，這項研究成功制造了基于石墨烯納米帶的自供電光電探測器，并實(shí)現了創(chuàng )紀錄的高響應度。同時(shí)，研究人員成功展示了該器件的光通信和成像能力。這項研究成果不僅為石墨烯納米帶和硅基光電器件的發(fā)展提供了一條實(shí)用的途徑，而且展示了它們作為自供電短波紅外光電探測器的良好性能。
論文鏈接：
https://doi-org.2423.top/10.1063/5.0251103
