剑桥大学ACS Nano：谐振腔增强型石墨烯/硅肖特基光电探测器
【引言】
红外1550 nm探测在光通信以及遥感技术等应用场景都能发挥重要的作用。比如在现代光通讯中，用1550 nm波长的光有利于减少光纤的光吸收，达到低损耗传播。因此许多用于1550 nm探测的光电探测器被研制，其中大部分材料是三五族化合物，如引镓砷、磷化铟等与四族锗半导体，这些材料在红外的吸收超过90%。然而这些材料与现有的基于硅技术的CMOS集成电路的兼容性都不够好。开发一种硅基的与COMS集成电路相兼容的1550 nm光电探测变得尤为重要。现已研制出石墨烯/硅结合的1550 光电探测器件可以很好的与现有的COMS集成电路进行结合，但是其响应度低至5 mA/W，远小于三五族化合物与锗基的光电探测器的响应度(0.5-0.9 A/W)，因此提高石墨烯/硅的响应度性能变得极为迫切。
【成果简介】
近日，剑桥大学的Andrea C. Ferrari教授在ACS. Nano上发表了一篇名为“Vertically-Illuminated, Resonant-Cavity-Enhanced, Graphene-Silicon Schottky Photodetectors”的文章。该研究通过对器件增加一个增强型光学谐振器，成功的增强了石墨烯/硅界面的光吸收能力，将器件的响应度从原来的5 mA/W增强至240 mA/W。
【图文简介】
图1 器件结构
(a).谐振腔增强型（RCE）单层石墨烯（SLG）/硅肖特基光电探测器件截面示意图；
(b).器件结构的光学照片。
图2 单层石墨烯的吸收谱
有金镜谐振腔（红线）与无金镜谐振腔（黑线）的吸收谱。
图3 器件的制备流程
(a). 氧化硅层的沉积；
(b). 肖特基与欧姆接触区域的确定；
(c). 沉积铝； (d). 沉积金；
(e). 转移单层石墨烯；
(f). 剪修石墨烯层；
(g). 金与石墨烯接触；
(h). 背面金镜沉积。
图4 拉曼谱
(a). 红线：硅衬底的拉曼谱；黑线：转移到硅上的单层石墨烯的拉曼谱；蓝线：器件完全制备完后的拉曼谱；
(b). 绿线：刚生长在铜基上的单层石墨烯的拉曼谱；黑线：单层石墨烯转移到硅上的拉曼峰；蓝线：器件完全制备后的拉曼峰。
图5 SLG/ Si 肖特基探测器的拉曼谱map
(a).G峰；
(b). I(2D)/I(G)。
图6 器件I-V曲线，势垒与偏压的关系
(a). SLG/Si 光电探测器件的半对数I-V曲线，实验数据与模拟曲线；
(b). SLG/Si 间肖特基势垒与偏压的关系曲线。
图7 光电测量装置与器件的光谱响应
(a). 光电测试装置示意图；
(b). 谐振腔增强SLG/Si肖特基器件的光谱响应曲线。
图8 器件的响应度
(a). 有金镜(红线)与无金镜(黑线)的谐振腔增强型光电探测的响应度曲线；
(b).响应度随着反向偏压增加的变化趋势。
图9 噪声等效功率与总噪声电流曲线
不同反向偏压下的噪声等效功率(黑线)与总噪声电流曲线（蓝线）。
【小结】
该研究通过给SLG/Si肖特基光电器件加上一个增强型谐振腔，成功的增强了SLG/Si层的光吸收能力，并且将器件的响应度从20 mA/W提高至250 mA/W。此外器件吸收的波长可以通过硅的厚度进行调控。该研究为开发高响应度，用于近红外光谱探测的无光纤垂直照射型石墨烯/硅光电探测器铺开了道路。
文献链接：Vertically-Illuminated, Resonant-Cavity-Enhanced, Graphene-Silicon Schottky Photodetectors (ACS. Nano, 2017 DOI: 10.1021/acsnano.7b04792 • Publication Date (Web): 26 Oct 2017)
本文由材料人编辑部新能源前线刘于金供稿，参与新能源话题讨论请加入“材料人新能源材料交流群 422065953”。
投稿以及内容合作可加编辑微信：RDD-2011-CHERISH , 任丹丹，我们会邀请各位老师加入专家群。
材料牛网专注于跟踪材料领域科技及行业进展，如果您对于跟踪材料领域科技进展，解读高水平文章或是评述行业有兴趣，点我加入编辑部。欢迎大家到材料人宣传科技成果并对文献进行深入解读，投稿邮箱tougao@cailiaoren.com。
文章评论(0)