NTT实现世界超快速的石墨烯光电探测器零偏压运行

MEMS 2022-10-02 00:10

新研究证明石墨烯成为宽带高速光电探测器材料的前景

据麦姆斯咨询报道,近日,NTT公司和美国国家材料科学研究所(NIMS)共同实现了石墨烯光电探测器(PD)的世界超快速零偏压运行(220 GHz)。此外,NTT和NIMS的研究首次阐明了石墨烯的光到电(O-E)转换过程。石墨烯对从太赫兹(THz)到紫外线(UV)的各种电磁波均具有高灵敏度和高速电响应。因此,它是一种很有前景的光检测材料,能够在现有半导体设备无法工作的波段内实现高速的O-E转换。然而到目前为止,限于传统的器件结构和测量设备,实验所展示的零偏压运行速度被限制在70 GHz。为此,石墨烯光电探测器研究面临的挑战是实现200 GHz的运行速度并阐明石墨烯的固有特性,如光到电转换的过程。


在这项研究中,NTT和NIMS通过使用氧化锌(ZnO)薄膜作为栅极材料来消除器件结构造成的电流延迟,使用片上太赫兹光谱技术来高速读出电流,并基于220 GHz的3dB带宽展示了高速运行。该研究还通过比较用不同质量的石墨烯光电探测器的特性,发现了运行速度和灵敏度之间的协调效应。这些发现将使石墨烯光电探测器能够根据其预期用途进行优化,例如更注重灵敏度的光学传感器或更注重速度的O-E信号转换器。这项开创性的研究于2022年8月25日在线发表在英国科学杂志《自然-光子学》(Nature Photonics)上。 

石墨烯光电探测器(PD)示意图


220 GHz运行速度的演示


该研究小组研究了石墨烯的O-E转换,重点是光热电(PTE)效应。该特性能实现改善功耗和信噪比所需的零偏压运行。此外,研究表明,与传统认识所不同的是,电流的响应时间几乎与光电探测器的大小无关。根据载流子密度的不同,从光照射到产生电流的时间可以有很大变化范围,从低于100 fs到超过4 ps。 

这些结果展示了石墨烯作为高速宽带光电探测器材料的潜力。然而,本实验中的石墨烯提炼自石墨,因而不适合大规模生产。在未来,NTT的研究人员将评估采用可量产的大面积石墨烯的光电探测器。研究人员一直在积极通过分层堆叠石墨烯和其他二维材料(单或多原子层材料)来创造自然界中不存在的材料。研究人员还将充分利用这项技术,寻找能够实现更快运行的材料。

在蓝宝石衬底和片上太赫兹光谱电路上制造的石墨烯光电探测器(PD)显微照片

延伸阅读:

《光谱成像市场和趋势-2022版》

《新兴图像传感器技术、应用及市场-2021版》
《小型、微型和芯片级光谱仪技术及市场-2020版》


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