一種構建面內(nèi)p-n-p同質結降低石墨烯光電探測器暗電流的有效途徑

近日，中科院長春光機所應用光學國家重點實驗室李紹娟研究員團隊提出了一種構建面內(nèi)p-n-p同質結降低石墨烯光電探測器暗電流的有效途徑。該器件在中紅外波段表現(xiàn)出出色的光響應和極低的暗電流?；谑┟鎯?nèi)同質p-n-p結的紅外光電探測器的實現(xiàn)為石墨烯-硅集成寬帶光學器件的發(fā)展提供了思路。以上研究工作以《Efficient graphene in-plane homogeneous p-n-p junction based infrared photodetectors with low dark current》為題發(fā)表在SCIENCE CHINA上，DOI：10.1007/s11432-020-3179-9。安君儒博士為文章的第一作者。

石墨烯具有很多優(yōu)異的特性，石墨烯在紫外到太赫茲波段均顯示出光吸收，并表現(xiàn)出快速的光響應，并且石墨烯還具有高的載流子遷移率、良好的機械柔韌性及出色的導熱性。因為這些優(yōu)異的性質，基于石墨烯的光電探測器引起了人們的廣泛關注。然而由于石墨烯無帶隙的性質，石墨烯光電探測器的暗電流通常非常高，造成器件具有低的開關比和高的背景噪聲。因此，如何將暗電流降低到較低水平并保持優(yōu)異的光電檢測能力是石墨烯光電檢測器實際應用中需要解決的主要障礙。

在這項研究中，石墨烯被轉移到具有多個圖案化的硅溝槽的SiO2/Si襯底上，并且轉移后石墨烯與硅溝槽中的硅襯底直接接觸。與硅溝槽直接接觸的石墨烯被電子摻雜形成n型石墨烯，而與SiO2直接接觸的石墨烯保持p型摻雜。借助這種結構，實現(xiàn)了一種有效的基于石墨烯面內(nèi)同質p-n-p結的紅外光探測器。在這一器件中，光伏效應與光閘效應協(xié)同作用。在面內(nèi)p-n-p結中，光生空穴被接觸電極轉移并提取，而電子被俘獲在n型摻雜石墨烯中，這種光柵壓效應進一步引起載流子從硅襯底注入，從而增強器件光響應性。

圖1 （f）平面內(nèi)均質石墨烯p-n-p結的能帶示意圖。

該石墨烯光電探測器對1064-2200 nm波段的紅外光具有明顯的光響應，并對周期性光脈沖具有快速響應/恢復并保持良好的穩(wěn)定性和可重復性。在1064 nm入射光和0.03 μW功率下，該器件最大響應度約為14 mAW-1。并且在4 μm的紅外光照射下該器件也表現(xiàn)出自驅動光響應行為。

圖2 不同波長下器件的光電響應性能。（a）漏-源極電流與漏-源極電壓的關系曲線；（b）對周期性光脈沖的光電流響應；（c）器件的響應度與光功率的關系曲線；（d）在4 μm 波段光照射下該器件的自驅動光響應曲線。

實驗表明，該結構可以有效的降低器件的暗電流，在具有兩個硅溝槽和三個硅溝槽的SiO2襯底上的石墨烯光電探測器分別具有10-9A和10-13A的超低暗電流，這比純石墨烯光電晶體管低了近三個和七個數(shù)量級，該器件的比探測率可以達到2.87×108cmHz1/2。

圖3 基于不同結構的器件光電性質。（a）不同結構器件的暗電流曲線；（b）不同結構器件在不同入射光功率下的光電流曲線。

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