研究人員成功開(kāi)發(fā)石墨烯/硅微米孔陣列異質(zhì)結(jié)光探測(cè)器

據(jù)麥姆斯咨詢(xún)報(bào)道，近日，中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所的研究人員成功開(kāi)發(fā)了一種石墨烯/硅微米孔陣列異質(zhì)結(jié)光探測(cè)器，該探測(cè)器實(shí)現(xiàn)了從紫外到近紅外光的寬光譜探測(cè)。硅微米孔陣列的光捕獲效應(yīng)增強(qiáng)了探測(cè)器在紫外到近紅外的吸收，并且，硅微米孔陣列光滑的表面與石墨烯形成高質(zhì)量異質(zhì)結(jié)，實(shí)現(xiàn)了較低的載流子表面復(fù)合速率。相關(guān)成果以“基于石墨烯/硅微米孔陣列異質(zhì)結(jié)的高性能近紅外光探測(cè)器”為題發(fā)表在《紅外技術(shù)》期刊上。

硅在地殼中含量豐富，具備高載流子遷移率、無(wú)毒和長(zhǎng)期穩(wěn)定性，比較容易與其他材料形成異質(zhì)結(jié)構(gòu)光探測(cè)器，因此，硅基光探測(cè)器是當(dāng)前可見(jiàn)光至近紅外探測(cè)研究的主流體系。隨著硅工藝在不斷發(fā)展，商用硅基光探測(cè)器性能已在逐漸優(yōu)化。目前商業(yè)化硅光電二極管通常采用高溫?cái)U(kuò)散或離子注入等工藝制備pn結(jié)或pin結(jié)形成，工藝較為復(fù)雜，且所使用設(shè)備較為昂貴，導(dǎo)致器件制備成本較高，制約了其進(jìn)一步的推廣應(yīng)用。因此，人們迫切需要開(kāi)發(fā)低成本硅基光伏器件。

硅微米孔陣列結(jié)構(gòu)是減少了材料成本的一種有效途徑，與平面薄膜和體塊結(jié)構(gòu)相比，硅微納米陣列結(jié)構(gòu)（如硅納米線陣列、硅柱陣列、硅孔陣列、硅納米錐陣列等）具有界面面積大、電荷傳輸快等優(yōu)點(diǎn)。硅微納米陣列的周期性結(jié)構(gòu)可以提高器件的光捕獲能力，增加有效光敏面積，從而提高器件整體吸收，同時(shí)微米陣列的大的表面體積比也可延長(zhǎng)光激發(fā)載流子的壽命，減少載流子的渡越時(shí)間，最終提高了光電器件單位面積上的光電轉(zhuǎn)換效率。

另一方面，傳統(tǒng)的金屬/硅異質(zhì)結(jié)器件存在光伏性能較差，使用壽命短的問(wèn)題。通過(guò)石墨烯和硅半導(dǎo)體材料結(jié)合，構(gòu)成異質(zhì)結(jié)光探測(cè)器，入射光可以很容易地穿透石墨烯薄膜，到達(dá)異質(zhì)結(jié)，激發(fā)的電子-空穴對(duì)被內(nèi)置電場(chǎng)分離，形成光電流。因此，石墨烯已經(jīng)在各種光電器件中顯示出廣闊的應(yīng)用前景，尤其在光探測(cè)中。更重要的是，制備石墨烯/硅光探測(cè)器的主要過(guò)程可以通過(guò)室溫空氣環(huán)境中的溶液轉(zhuǎn)移過(guò)程來(lái)完成。因此，石墨烯/硅異質(zhì)結(jié)光探測(cè)器已經(jīng)成為高性能和低成本光電探測(cè)器與光伏應(yīng)用的候選材料。

基于此，在本項(xiàng)研究中，利用化學(xué)氣相沉積法（CVD）制備的大面積石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移到硅微米孔陣列襯底上，構(gòu)建了石墨烯/硅微米孔陣列異質(zhì)結(jié)構(gòu)光探測(cè)器。圖1展示了石墨烯/硅微米孔陣列異質(zhì)結(jié)光探測(cè)器的制作流程圖。

圖1 構(gòu)造石墨烯/硅微米孔陣列異質(zhì)結(jié)構(gòu)光探測(cè)器的步驟示意圖

通過(guò)光刻和反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)制備的硅微米孔陣列具有整齊光滑的表面，保證了較低的表面載流子復(fù)合速率。同時(shí)，孔陣列結(jié)構(gòu)能有效地抑制入射光的反射，增加了有效光照面積，提高了石墨烯/硅異質(zhì)結(jié)的吸收效率，從而提高了器件的光響應(yīng)度。在入射光強(qiáng)為118.00W/cm2的810nm光照下，光探測(cè)器的電流響應(yīng)度可達(dá)到679.50mA/W，探測(cè)率為3.40×1012Jones；光強(qiáng)為7.00W/cm2時(shí)電壓響應(yīng)度有1.79×106V/W。

圖2 光電響應(yīng)測(cè)試與分析

此外，該器件能夠檢測(cè)高頻脈沖紅外光，具有良好的重復(fù)性。該近紅外光探測(cè)器可以很容易地在開(kāi)或關(guān)狀態(tài)之間重復(fù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該器件具有20.00/21.30s的升/降響應(yīng)速度。

圖3 響應(yīng)速度測(cè)試與器件噪聲分析

綜上所述，研究人員通過(guò)簡(jiǎn)單的CVD方法獲得了石墨烯薄膜，并將其轉(zhuǎn)移到刻蝕好的硅微米孔陣列上，制備出高性能的石墨烯/硅微米孔陣列異質(zhì)結(jié)近紅外光探測(cè)器。制備的石墨烯/硅微米孔陣列異質(zhì)結(jié)在零偏壓，810nm光照射下表現(xiàn)出明顯的光伏特性，展示了該器件可以在沒(méi)有外部電源的情況下檢測(cè)近紅外光的優(yōu)秀性能。相比于商業(yè)化硅光電二極管，石墨烯/硅微米孔陣列光電探測(cè)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制備工藝簡(jiǎn)便，有望大幅降低制備成本。研究結(jié)果顯示了石墨烯/硅微米孔陣列異質(zhì)結(jié)探測(cè)器在未來(lái)低成本、穩(wěn)定和高效近紅外光探測(cè)應(yīng)用方面的巨大潛力。