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。

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。

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)

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