中國電子元件行業(yè)協(xié)會
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注。單層石墨烯（SLG）與半導體材料通過范德華力結合時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(diào)節(jié)厚度方面的優(yōu)勢，展現(xiàn)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?qū)崿F(xiàn)與襯底原子級緊密結合。
浙江大學高分子系高超教授與集成電路學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(shù)和epi-Si的低碰撞電離系數(shù)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(qū)，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(xiàn)出自淬滅和高增益的特性，可在1550 nm的波長下工作。圖2和圖3展示了nMAG/epi-Si 器件在紅外波長下的光響應評估。
圖1 nMAG/epi-Si光電探測器的示意圖和相關特性
圖2 nMAG/epi-Si光電探測器的光譜依賴性和光開關特性
圖3 nMAG/epi-Si光電探測器在1550 nm波長下的表征
當偏置電壓增加時，nMAG層充當nMAG/epi-Si器件中近紅外長波光譜的吸收層，如圖 4a 所示。另一方面，輕摻雜的epi-Si層用作乘法層，通過控制施加的偏置，可以調(diào)整nMAG層中的電場，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(qū)內(nèi)的大內(nèi)電場下獲得較大的動能，并且可以通過與晶格中的價電子進行碰撞電離來實現(xiàn)雪崩倍增，從而產(chǎn)生自由電子呈指數(shù)增長，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察到內(nèi)部倍增效應，提取的增益值高達1123，這比大多數(shù)基于二維材料報道的APD都要高。在1550 nm波長下，nMAG/epi-Si APD表現(xiàn)出2.51 mA W?1的高響應度和的2.67 × 10? Jones探測率，高于沒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(tǒng)中以測量眼圖，進一步證明了其在實際光學應用中的可行性，如圖5所示。nMAG/epi-Si APD表現(xiàn)出低噪聲電流，其快速響應能力使其應用于近紅外通信數(shù)據(jù)鏈路時，最大實時數(shù)據(jù)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發(fā)提供了指導。
