一種具有可調(diào)控二維勢(shì)阱的超小型石墨烯光電探測(cè)器

高量子效率和寬帶探測(cè)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(fù)雜性方面一直面臨著諸多挑戰(zhàn)。與此同時(shí)，具有獨(dú)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(bào)道，近日，由中國(guó)科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院、新加坡國(guó)立大學(xué)（National University of Singapore）、新加坡南洋理工大學(xué)（Nanyang Technological University）、新加坡科技研究局（A*STAR）、電子科技大學(xué)與中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所共同組成的科研團(tuán)隊(duì)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(guó)科學(xué)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(xué)高煒博教授、新加坡國(guó)立大學(xué)仇成偉教授和新加坡科技研究局Zhaogang Dong。

這項(xiàng)研究開發(fā)了一種具有可調(diào)控二維勢(shì)阱的超小型石墨烯光電探測(cè)器，探測(cè)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(shì)阱可以在空間（橫向和縱向）上對(duì)石墨烯中的光生載流子產(chǎn)生強(qiáng)大的捕獲力并抑制其復(fù)合，從而提高器件的外量子效率（EQE）和光增益，并具有波長(zhǎng)抗干擾能力，可在1.55 μm - 11 μm的紅外探測(cè)波段內(nèi)實(shí)現(xiàn)0.2 A/W - 38 A/W的高響應(yīng)度。該探測(cè)器在黑體輻射下獲得了接近1 × 10? cm √Hz W?1的室溫探測(cè)率。此外，二維勢(shì)阱中電場(chǎng)和光場(chǎng)的協(xié)同效應(yīng)使可調(diào)諧波長(zhǎng)的高效偏振靈敏探測(cè)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(cè)器開辟了新的可能性。

該石墨烯光電探測(cè)器的設(shè)計(jì)機(jī)制如圖1c所示。電增益的產(chǎn)生主要包括三個(gè)物理過程：（1）產(chǎn)生勢(shì)阱；（2）光生載流子的分離；（3）光電導(dǎo)增益過程。

圖1 石墨烯光電探測(cè)器的設(shè)計(jì)原理和機(jī)制

這種由狹縫結(jié)構(gòu)引起的電勢(shì)分布稱為狹縫效應(yīng)。當(dāng)在二維平面上沿兩個(gè)相互垂直的方向構(gòu)建狹縫結(jié)構(gòu)時(shí)，谷電勢(shì)分布將演變成二維勢(shì)阱。此時(shí)，狹縫效應(yīng)就會(huì)變?yōu)槎S狹縫效應(yīng)，將實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的增強(qiáng)效果。研究人員利用設(shè)計(jì)與模擬仿真軟件（TCAD）進(jìn)一步計(jì)算分析了狹縫結(jié)構(gòu)的表面電場(chǎng)分布，結(jié)果如圖2a所示。

圖2 界面電場(chǎng)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(duì)該器件的性能進(jìn)行了測(cè)試分析，相關(guān)結(jié)果如圖3所示。

圖3 石墨烯光電探測(cè)器的性能和電學(xué)測(cè)試分析

此外，電場(chǎng)工程引起的增益與光場(chǎng)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(jì)成各向異性結(jié)構(gòu)，可以有效地實(shí)現(xiàn)高響應(yīng)度偏振靈敏探測(cè)。將設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)置為占空比（DC）= 0.3、H = 160 nm、L = 1 μm時(shí)，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(duì)波長(zhǎng)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(cè)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(cè)性能，如圖5所示。圖5a為黑體探測(cè)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(cè)器對(duì)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(cè)等。此外，該器件可在室溫工作，并且具有寬波段探測(cè)范圍，這對(duì)于下一代紅外光電探測(cè)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(jì)。例如，該器件可以實(shí)現(xiàn)高增益的線性偏振靈敏探測(cè)，研究人員期望未來可以利用手性結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)圓偏振靈敏探測(cè)。與其它的石墨烯紅外探測(cè)器相比，這項(xiàng)工作在探測(cè)波長(zhǎng)和響應(yīng)度方面頗具優(yōu)勢(shì)。此外，該器件的制備與硅基CMOS工藝完全兼容，這對(duì)于實(shí)現(xiàn)微型化高增益紅外探測(cè)器至關(guān)重要。

審核編輯：劉清