具有可调控二维势阱的高效率石墨烯红外光电探测器

原创 MEMS 2024-02-22 00:01

高量子效率和宽带探测能力是红外传感技术的主要发展方向。然而,具有高效率的块体材料在制造与集成复杂性方面一直面临着诸多挑战。与此同时,具有独特零带隙结构的二维(2D)半金属材料受到本征量子效率瓶颈的制约。

据麦姆斯咨询报道,近日,由中国科学院重庆绿色智能技术研究院、新加坡国立大学(National University of Singapore)、新加坡南洋理工大学(Nanyang Technological University)、新加坡科技研究局(A*STAR)、电子科技大学与中国科学院长春光学精密机械与物理研究所共同组成的科研团队在Nature Communications期刊上发表了以“Synergistic-potential engineering enables high-efficiency graphene photodetectors for near- to mid-infrared light”为主题的论文。该论文的第一作者为中国科学院重庆绿色智能技术研究院姜浩副研究员,通讯作者为中科院重庆绿色智能技术研究院魏兴战研究员、新加坡南洋理工大学高炜博教授、新加坡国立大学仇成伟教授和新加坡科技研究局Zhaogang Dong。

这项研究开发了一种具有可调控二维势阱的超小型石墨烯光电探测器,探测范围覆盖近红外(NIR)到中红外(MIR)波段。由介电结构构建的二维势阱可以在空间(横向和纵向)上对石墨烯中的光生载流子产生强大的捕获力并抑制其复合,从而提高器件的外量子效率(EQE)和光增益,并具有波长抗干扰能力,可在1.55 µm - 11 µm的红外探测波段内实现0.2 A/W - 38 A/W的高响应度。该探测器在黑体辐射下获得了接近1 × 10⁹ cm √Hz W⁻¹的室温探测率。此外,二维势阱中电场和光场的协同效应使可调谐波长的高效偏振灵敏探测成为可能。该工作的策略为易于制造、高性能以及多功能红外光电探测器开辟了新的可能性。

该石墨烯光电探测器的设计机制如图1c所示。电增益的产生主要包括三个物理过程:(1)产生势阱;(2)光生载流子的分离;(3)光电导增益过程。


图1 石墨烯光电探测器的设计原理和机制

这种由狭缝结构引起的电势分布称为狭缝效应。当在二维平面上沿两个相互垂直的方向构建狭缝结构时,谷电势分布将演变成二维势阱。此时,狭缝效应就会变为二维狭缝效应,将实现进一步的增强效果。研究人员利用设计与模拟仿真软件(TCAD)进一步计算分析了狭缝结构的表面电场分布,结果如图2a所示。


图2 界面电场分析

上述狭缝效应可以通过提供高的光增益来显著放大来自石墨烯的光电流,如图3a所示。随后,研究人员对该器件的性能进行了测试分析,相关结果如图3所示。


图3 石墨烯光电探测器的性能和电学测试分析

此外,电场工程引起的增益与光场的各向异性分布具有协同作用。研究人员通过将作为光门控(photogating)陷阱(trap)材料的介电材料设计成各向异性结构,可以有效地实现高响应度偏振灵敏探测。将设计参数设置为占空比(DC)= 0.3、H = 160 nm、L = 1 µm时,该器件结构在X(垂直于光栅)和Y(平行于光栅)偏振方向上对波长为1.55 µm的光具有较高的反射偏振比,相关结果如图4a所示。


图4 石墨烯光电探测器的偏振响应情况

最后,研究人员还研究了室温下该器件的黑体探测性能,如图5所示。图5a为黑体探测系统示意图。


图5 器件的黑体表征

综上所述,基于狭缝效应的石墨烯/二维狭缝结构光电探测器对于许多需要高灵敏度的技术至关重要,例如安全监控、物体检查和天文观测等。此外,该器件可在室温工作,并且具有宽波段探测范围,这对于下一代红外光电探测器来说是非常理想的。重要的是,该工作为多功能光电器件提供了可调控的设计。例如,该器件可以实现高增益的线性偏振灵敏探测,研究人员期望未来可以利用手性结构的设计进一步实现圆偏振灵敏探测。与其它的石墨烯红外探测器相比,这项工作在探测波长和响应度方面颇具优势。此外,该器件的制备与硅基CMOS工艺完全兼容,这对于实现微型化高增益红外探测器至关重要。

论文链接:
https://doi.org/10.1038/s41467-024-45498-3

延伸阅读:
《石墨烯市场和二维材料评估-2023版》
《新兴图像传感器技术及市场-2024版》
《光谱成像市场和趋势-2022版》
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