中國電子元件行業(yè)協(xié)會
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，在醫(yī)學、軍事、空間技術和環(huán)境工程等領域都發(fā)揮著越來越重要的作用。其中無需外部額外電源即自主運行的自驅(qū)動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(wěn)定性等）在紅外探測領域引起了廣泛的關注。相比之下，傳統(tǒng)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驅(qū)動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(tǒng)以降低熱噪音提高響應度，因此已經(jīng)難以滿足未來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，山東大學集成電路學院和瑞典烏普薩拉大學（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(jié)型自驅(qū)動短波紅外（SWIR）光電探測芯片。在異質(zhì)界面所觸發(fā)的的光門控效應和內(nèi)置電場的共同作用下，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(qū)動模式時響應率高達75.3 A/W，探測率為7.5 × 101? Jones，外量子效率接近104%，將同類型硅基芯片的探測性能提高了創(chuàng)紀錄的7個數(shù)量級。此外，在常規(guī)驅(qū)動模式下，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，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域的真實場景應用，體現(xiàn)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Applied 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?界面層通過改進界面肖特基勢壘來降低暗電流，石墨烯納米帶薄膜作為p型材料沉積在Al?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(tǒng)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）和動態(tài)特性響應（電流-時間曲線）進行了測試，相關結(jié)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(tǒng)評估基于石墨烯納米帶/Al?O?/單晶硅異質(zhì)結(jié)構(gòu)光電探測器在不同偏置電壓下的光學響應特性，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(xiàn)出快速響應速度，相關結(jié)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源，圖4（a）展示了光照下能帶結(jié)構(gòu)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(tǒng)，成功實現(xiàn)了短波紅外的自供電成像；系統(tǒng)在零偏置下工作，無任何能耗。使用帶有字母“T”圖案的黑色掩模來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(tǒng)的示意圖和成像結(jié)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，并實現(xiàn)了創(chuàng)紀錄的高響應度。同時，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
