一種構(gòu)建面內(nèi)p-n-p同質(zhì)結(jié)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(yīng)用光學(xué)國家重點實驗室李紹娟研究員團隊提出了一種構(gòu)建面內(nèi)p-n-p同質(zhì)結(jié)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(yīng)和極低的暗電流。基于石墨烯面內(nèi)同質(zhì)p-n-p結(jié)的紅外光電探測器的實現(xiàn)為石墨烯-硅集成寬帶光學(xué)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(yīng)，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(dǎo)熱性。因為這些優(yōu)異的性質(zhì)，基于石墨烯的光電探測器引起了人們的廣泛關(guān)注。然而由于石墨烯無帶隙的性質(zhì)，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(guān)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(yīng)用中需要解決的主要障礙。

在這項研究中，石墨烯被轉(zhuǎn)移到具有多個圖案化的硅溝槽的SiO2/Si襯底上，并且轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了一種有效的基于石墨烯面內(nèi)同質(zhì)p-n-p結(jié)的紅外光探測器。在這一器件中，光伏效應(yīng)與光閘效應(yīng)協(xié)同作用。在面內(nèi)p-n-p結(jié)中，光生空穴被接觸電極轉(zhuǎn)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(yīng)進一步引起載流子從硅襯底注入，從而增強器件光響應(yīng)性。

圖1 （f）平面內(nèi)均質(zhì)石墨烯p-n-p結(jié)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(yīng)，并對周期性光脈沖具有快速響應(yīng)/恢復(fù)并保持良好的穩(wěn)定性和可重復(fù)性。在1064 nm入射光和0.03 μW功率下，該器件最大響應(yīng)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(qū)動光響應(yīng)行為。

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

實驗表明，該結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的器件光電性質(zhì)。（a）不同結(jié)構(gòu)器件的暗電流曲線；（b）不同結(jié)構(gòu)器件在不同入射光功率下的光電流曲線。

責(zé)任編輯：lq