红外光电探测具有抗干扰性强、目标识别能力强、全天候工作、隐蔽性好等特点，在医学、军事、空间技术和环境工程等领域都发挥着越来越重要的作用。其中无需外部额外电源即自主运行的自驱动型光电探测芯片因其独特的性能（如能量独立性、高灵敏度和稳定性等）在红外探测领域引起了广泛的关注。相比之下，传统的光电探测芯片，例如硅基或窄带隙半导体基红外芯片不仅需要额外的偏置电压来驱动分离光生载流子以产生光电流，而且需要额外的制冷系统以降低热噪音提高响应度，因此已经难以满足未来新一代红外探测芯片低功耗、小尺寸、低成本、高性能等新概念和新要求。据麦姆斯咨询报道，近日，山东大学集成电路学院和瑞典乌普萨拉大学（Uppsala University）的研究团队提出了一种基于石墨烯纳米带（GNR）薄膜/氧化铝/单晶硅的新型p-i-n异质结型自驱动短波红外（SWIR）光电探测芯片。在异质界面所触发的的光门控效应和内置电场的共同作用下，芯片展示了零偏压下的超高响应和探测性能。该光电探测芯片在自驱动模式时响应率高达75.3 A/W，探测率为7.5 × 10¹⁴ Jones，外量子效率接近104%，将同类型硅基芯片的探测性能提高了创纪录的7个数量级。此外，在常规驱动模式下，芯片的响应率、探测率、外量子效率同样高达843 A/W、10¹⁵ Jones和105%，均为目前所报道研究的最高值。同时，这项研究还展示了该光电探测芯片在光通信和红外成像领域的真实场景应用，体现了巨大的应用潜力。这项研究以“Superior self-powered infrared photodetector via semiconducting graphene-nanoribbons-based vertical heterojunctions”为题发表在Applied Physics Reviews期刊上。图1（a）展示了基于石墨烯纳米带/Al₂O₃/单晶硅的光电探测器的制造工艺。Al₂O₃界面层沉积在n型硅衬底上，Al₂O₃界面层通过改进界面肖特基势垒来降低暗电流，石墨烯纳米带薄膜作为p型材料沉积在Al₂O₃界面上。
图1 基于石墨烯纳米带/Al₂O₃/单晶硅的光电探测器的制造工艺和特性表征
为了系统地研究基于石墨烯纳米带/Al₂O₃/单晶硅的光电探测器的光电性能，研究人员对其静态（电流-电压曲线）和动态特性响应（电流-时间曲线）进行了测试，相关结果如图2所示。
图2 基于石墨烯纳米带/Al₂O₃/单晶硅的光电探测器的光电特性
为了系统评估基于石墨烯纳米带/Al₂O₃/单晶硅异质结构光电探测器在不同偏置电压下的光学响应特性，研究人员测量了该器件在0 V、-1 V、-3 V和-5 V偏置下的动态电流响应，光功率密度为8.15 μW/cm²。光电流随反向偏置增加而上升，并在所有偏置电压下表现出快速响应速度，相关结果如图3所示。
图3 不同光功率密度和不同偏置电压下，基于石墨烯纳米带/Al₂O₃/单晶硅的光电探测器的探测率和外部量子效率（EQE）
为了阐明基于石墨烯纳米带/Al₂O₃/单晶硅的光电探测器中高响应度的来源，图4（a）展示了光照下能带结构和载流子分布图，从而揭示了增强光响应的机制。
图4 基于石墨烯纳米带/Al₂O₃/单晶硅的光电探测器的探测机制以及与其他研究的比较
最后，研究人员制造了成像系统，成功实现了短波红外的自供电成像；系统在零偏置下工作，无任何能耗。使用带有字母“T”图案的黑色掩模来评估该光电探测器的成像能力（如图5）。
图5 短波红外成像系统的示意图和成像结果
综上所述，这项研究成功制造了基于石墨烯纳米带的自供电光电探测器，并实现了创纪录的高响应度。同时，研究人员成功展示了该器件的光通信和成像能力。这项研究成果不仅为石墨烯纳米带和硅基光电器件的发展提供了一条实用的途径，而且展示了它们作为自供电短波红外光电探测器的良好性能。
https://doi-org.2423.top/10.1063/5.0251103延伸阅读：
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