关键词：
石墨烯
光电探测器
操控光栅压
增益设计
波动电势
摘要：
光电探测器是通过对光信号的强弱变化进行探测,并以电信号形式输出的光电子器件,被广泛用于民用和军事领域,包括光学通信、安全监控、物体检测、目标追踪等。随着对光电探测器小型化、片上集成化以及高性能等要求的提高,以石墨烯为代表的二维材料因其独特的物理性质,被认为是研发新一代光电子器件极具潜力的材料。石墨烯拥有高载流子迁移率、零带隙能带结构、低载流子密度、以及物理柔韧性等独特性质,因此其对超快、宽波段和性能可调谐的光探测集成设计有着十分重要的意义。然而,石墨烯的低光吸收率和短载流子寿命导致了低量子效率,因此不利于直接作为吸光材料进行光电探测。单纯依赖增强光吸收的方法例如引入光学共振腔、金属光栅、等离子体纳米结构也难以使得纯石墨烯光电探测器获得高的光电响应度。近年来,基于光栅压增益机制的石墨烯复合结构光电探测器展现出超高的响应度,其增益机制来源于缺陷、杂质或人工设计的复合结构对光生载流子寿命的延长。然而,这种机制也导致了器件响应速度的减慢,因此产生了响应时间与响应度难以兼顾的问题。此外,此类器件的光吸收主体为与石墨烯复合的半导体材料而非石墨烯,因此器件的响应波段仅决定于半导体材料。针对以上提出的现阶段石墨烯复合结构光电探测器存在的问题,如何实现器件响应度和响应速度的平衡、拓展器件响应波段、实现器件高增益、以及解决石墨烯吸收率与载流子寿命等问题成为重要挑战。本文从新机制出发,分别进行了以下三个方面的研究:1.针对光栅压型石墨烯复合器件存在的响应时间与响应度的平衡问题,提出了一种光栅压的操纵机制,该机制通过增强界面电场来提升响应度,同时通过加快载流子向界面的扩散运动来提升响应速度,从而实现响应度和响应速度的同时提升。通过在光电导模式下利用石墨烯/绝缘衬底上的硅(SOI)复合结构可以验证光栅压操纵机制,通过操纵光栅压可以调控顶硅中的载流子浓度梯度,进而增强载流子的扩散速度和异质结的内建电势,以同时提高器件的响应速度和灵敏度。实验结果表明,器件可以在不牺牲响应时间的同时获得高响应度。最终在532 nm波段获得高达10A/W的响应度,相比于原器件提升了10倍,响应时间可以从1000μs缩短到90μs,测得比探测率(D*)为1.46×10Jones。进一步将此机制应用到位置探测器,也获得了明显的提升效果,位置探测灵敏度高达518μA/mm,非线性度不超过2%,且探测范围扩展至1.2 mm。2.针对石墨烯/硅复合器件响应波段窄和增益限制的问题,提出将石墨烯与Te超掺杂硅(Te-Si)复合,并制备得到了可在室温下短波红外波段(SWIR)工作的高光增益红外探测器。该器件将石墨烯沟道与Te超掺杂硅进行整合,其中超掺杂硅由于被Te过饱和注入而引入了中间带,实现了对红外波段的宽谱吸收;石墨烯则作为载流子的传输沟道为器件提供循环增益。进一步发现,这种结合方式产生的增益由寿命增益因子和电势增益因子决定。因此,针对复合材料的合理选取和设计可以提升器件增益。器件兼具宽波段、高增益、低功耗和易制造等优势,且突破了传统硅基器件的吸收波段局限性与窄带隙材料器件的复杂工艺依赖性。在室温下SWIR波段获得高响应度(100 A/W at 1.55μm,16.3 A/W at 2.7μm)和低等效噪声功率(0.08 pW Hz at 80 K,0.71 pW Hz at 300 K)。重要的是,这种异质结构器件的制造与硅基CMOS工艺完全兼容,对于实现小型化高增益红外探测器具有参考价值。3.针对石墨烯光电探测器光吸收波段取决于与其复合的半导体材料的限制,提出了基于结构化衬底的单层石墨烯光电探测器,来增强石墨烯的光栅压效应,从而发挥出石墨烯自身的宽波段光吸收能力。其中内建电势是通过波动电势(PFE)机制建立的,该机制基于硅光栅结构,由硅与氧化硅界面来形成增强型电场。研究发现器件响应度的增强因子与一个新定义的参数波动周期率(P)有关,即硅光栅的周期因子。通过对P的合理设计,能够让引入的增强型界面电场尽可能多地分离石墨烯中的光生载流子,提升量子效率。与没有纳米结构衬底的器件相比,具有优化P的器件的响应度提高了100倍,且在1550 nm波长和室温下达到240 A/W的响应度和3.4×10 Jones的比探测率D*,在2.7μm波段也获得25 A/W的响应度。实验规律通过三维器件模型的建立和仿真得到了解释。由于该研究基于单层石墨烯结构,而不是具有多层复杂结构的材料,因此它具有一定的普适性和通用性。
