【前沿技術(shù)】NTT研究證明石墨烯成為高速光電探測器材料的前景

來源：《半導體芯科技》雜志10/11月刊

日本NTT公司和美國國家材料科學研究所(NIMS)共同實現(xiàn)了石墨烯光電探測器(PD)的超快速零偏壓運行(220GHz)。此外，NTT和NIMS的研究首次闡明了石墨烯的光到電(O-E)轉(zhuǎn)換過程。石墨烯對從太赫茲(THz)到紫外線(UV)的各種電磁波均具有高靈敏度和高速電響應(yīng)。因此，它是一種很有前景的光檢測材料，能夠在現(xiàn)有半導體設(shè)備無法工作的波段內(nèi)實現(xiàn)高速的O-E轉(zhuǎn)換。然而到目前為止，限于傳統(tǒng)的器件結(jié)構(gòu)和測量設(shè)備，實驗所展示的零偏壓運行速度被限制在70GHz。為此，石墨烯光電探測器研究面臨的挑戰(zhàn)是實現(xiàn)200GHz的運行速度并闡明石墨烯的固有特性，如光到電轉(zhuǎn)換的過程。

在這項研究中，NTT和NIMS通過使用氧化鋅(ZnO)薄膜作為柵極材料來消除器件結(jié)構(gòu)造成的電流延遲，使用片上太赫茲光譜技術(shù)來高速讀出電流，并基于220GHz的3dB帶寬展示了高速運行。該研究還通過比較用不同質(zhì)量的石墨烯光電探測器的特性，發(fā)現(xiàn)了運行速度和靈敏度之間的協(xié)調(diào)效應(yīng)。這些發(fā)現(xiàn)將使石墨烯光電探測器能夠根據(jù)其預(yù)期用途進行優(yōu)化，例如更注重靈敏度的光學傳感器或更注重速度的O-E信號轉(zhuǎn)換器。

該研究小組研究了石墨烯的O-E轉(zhuǎn)換，重點是光熱電(PTE)效應(yīng)。該特性能實現(xiàn)改善功耗和信噪比所需的零偏壓運行。此外，研究表明，與傳統(tǒng)認識所不同的是，電流的響應(yīng)時間幾乎與光電探測器的大小無關(guān)。根據(jù)載流子密度的不同，從光照射到產(chǎn)生電流的時間可以有很大變化范圍，從低于100fs到超過4ps。

這項開創(chuàng)性的研究于2022年8月25日在線發(fā)表在英國科學雜志《自然-光子學》(Nature Photonics)上。

審核編輯：湯梓紅