一種具有可調(diào)控二維勢阱的超小型石墨烯光電探測器

高量子效率和寬帶探測能力是紅外傳感技術(shù)的主要發(fā)展方向。然而，具有高效率的塊體材料在制造與集成復雜性方面一直面臨著諸多挑戰(zhàn)。與此同時，具有獨特零帶隙結(jié)構(gòu)的二維（2D）半金屬材料受到本征量子效率瓶頸的制約。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，由中國科學院重慶綠色智能技術(shù)研究院、新加坡國立大學（National University of Singapore）、新加坡南洋理工大學（Nanyang Technological University）、新加坡科技研究局（A*STAR）、電子科技大學與中國科學院長春光學精密機械與物理研究所共同組成的科研團隊在Nature Communications期刊上發(fā)表了以“Synergistic-potential engineering enables high-efficiency graphene photodetectors for near- to mid-infrared light”為主題的論文。該論文的第一作者為中國科學院重慶綠色智能技術(shù)研究院姜浩副研究員，通訊作者為中科院重慶綠色智能技術(shù)研究院魏興戰(zhàn)研究員、新加坡南洋理工大學高煒博教授、新加坡國立大學仇成偉教授和新加坡科技研究局Zhaogang Dong。

這項研究開發(fā)了一種具有可調(diào)控二維勢阱的超小型石墨烯光電探測器，探測范圍覆蓋近紅外（NIR）到中紅外（MIR）波段。由介電結(jié)構(gòu)構(gòu)建的二維勢阱可以在空間（橫向和縱向）上對石墨烯中的光生載流子產(chǎn)生強大的捕獲力并抑制其復合，從而提高器件的外量子效率（EQE）和光增益，并具有波長抗干擾能力，可在1.55 μm - 11 μm的紅外探測波段內(nèi)實現(xiàn)0.2 A/W - 38 A/W的高響應(yīng)度。該探測器在黑體輻射下獲得了接近1 × 10? cm √Hz W?1的室溫探測率。此外，二維勢阱中電場和光場的協(xié)同效應(yīng)使可調(diào)諧波長的高效偏振靈敏探測成為可能。該工作的策略為易于制造、高性能以及多功能紅外光電探測器開辟了新的可能性。

該石墨烯光電探測器的設(shè)計機制如圖1c所示。電增益的產(chǎn)生主要包括三個物理過程：（1）產(chǎn)生勢阱；（2）光生載流子的分離；（3）光電導增益過程。

圖1 石墨烯光電探測器的設(shè)計原理和機制

這種由狹縫結(jié)構(gòu)引起的電勢分布稱為狹縫效應(yīng)。當在二維平面上沿兩個相互垂直的方向構(gòu)建狹縫結(jié)構(gòu)時，谷電勢分布將演變成二維勢阱。此時，狹縫效應(yīng)就會變?yōu)槎S狹縫效應(yīng)，將實現(xiàn)進一步的增強效果。研究人員利用設(shè)計與模擬仿真軟件（TCAD）進一步計算分析了狹縫結(jié)構(gòu)的表面電場分布，結(jié)果如圖2a所示。

圖2 界面電場分析

上述狹縫效應(yīng)可以通過提供高的光增益來顯著放大來自石墨烯的光電流，如圖3a所示。隨后，研究人員對該器件的性能進行了測試分析，相關(guān)結(jié)果如圖3所示。

圖3 石墨烯光電探測器的性能和電學測試分析

此外，電場工程引起的增益與光場的各向異性分布具有協(xié)同作用。研究人員通過將作為光門控（photogating）陷阱（trap）材料的介電材料設(shè)計成各向異性結(jié)構(gòu)，可以有效地實現(xiàn)高響應(yīng)度偏振靈敏探測。將設(shè)計參數(shù)設(shè)置為占空比（DC）= 0.3、H = 160 nm、L = 1 μm時，該器件結(jié)構(gòu)在X（垂直于光柵）和Y（平行于光柵）偏振方向上對波長為1.55 μm的光具有較高的反射偏振比，相關(guān)結(jié)果如圖4a所示。

圖4 石墨烯光電探測器的偏振響應(yīng)情況

最后，研究人員還研究了室溫下該器件的黑體探測性能，如圖5所示。圖5a為黑體探測系統(tǒng)示意圖。

圖5 器件的黑體表征

綜上所述，基于狹縫效應(yīng)的石墨烯/二維狹縫結(jié)構(gòu)光電探測器對于許多需要高靈敏度的技術(shù)至關(guān)重要，例如安全監(jiān)控、物體檢查和天文觀測等。此外，該器件可在室溫工作，并且具有寬波段探測范圍，這對于下一代紅外光電探測器來說是非常理想的。重要的是，該工作為多功能光電器件提供了可調(diào)控的設(shè)計。例如，該器件可以實現(xiàn)高增益的線性偏振靈敏探測，研究人員期望未來可以利用手性結(jié)構(gòu)的設(shè)計進一步實現(xiàn)圓偏振靈敏探測。與其它的石墨烯紅外探測器相比，這項工作在探測波長和響應(yīng)度方面頗具優(yōu)勢。此外，該器件的制備與硅基CMOS工藝完全兼容，這對于實現(xiàn)微型化高增益紅外探測器至關(guān)重要。

審核編輯：劉清