香港中文大学许建斌研究组npj 2D Materials and Applications: 兼具快速度与高增益的石墨烯复合隧穿光电探测器

【引言】

石墨烯与其他半导体材料形成的复合光电探测器近年来得到广泛关注。此类器件分为两种工作模式：一种是在反向偏压下的肖特基光电二极管模式，能提供超快的响应速度，但无增益效果。另一种是以石墨烯为导电通道，半导体材料作为吸光层来提供光生载流子的光电导模式，能达到超高增益，但由于石墨烯与半导体间存在大量界面态，其响应速度一般较慢。以上的响应速度与增益之间的权衡限制了基于石墨烯的光电探测器的实际应用。

【成果简介】

近日，香港中文大学电子工程系许建斌教授、李昕明博士（共同通讯作者）与合作者在npj 2D Materials and Applications上发表题为“Hybrid graphene tunneling photoconductor with interface engineering towards fast photoresponse and high responsivity”的文章，本文第一作者为香港中文大学博士研究生陶立。本文作者设计了在光电导模式的石墨烯/硅复合光电探测器中加入界面钝化层的思路，在保持器件高增益的同时实现了超快响应速度（17 ns）。研究小组采用表面无悬挂键的大面积、高质量单层二硫化钼薄膜作为界面钝化层，有效降低了界面态密度。同时禁带宽度较大的单层二硫化钼能作为隧穿势垒，使得硅中的光生载流子快速穿过界面层到达石墨烯导电通道。对比试验表明此光电探测器响应速度比未加入二硫化钼界面层的器件提高3个数量级。这种在复合光电导中加入界面层的通用思路有望应用在其他类似结构的光电探测器中。

【图文导读】

图1 器件结构与表征

(a, b) 器件结构示意图和光学照片

(c) 石墨烯/单层二硫化钼/硅异质结区的拉曼光谱

(d) 单层二硫化钼的光学照片、光致发光谱以及高分辨透射电子显微镜图片

图2 器件的恒定光响应性能

(a) 光电流-沟道电压关系

(b) 光电流-光功率关系

(c) 光电流-光波长关系

图3 器件的暂态光响应性能

(a, b) 器件在2 Hz、100 kHz方波脉冲光信号下的响应

(c, d) 器件的光响应上升时间与下降时间。(c)中插图为未加入二硫化钼界面层的器件的光响应上升时间。

图4 光生载流子的输运过程

(a, b) 界面钝化层为单层/多层二硫化钼的器件的能带图

(c, d) 界面钝化层为多层二硫化钼的器件的暂态响应和光电流-光功率关系

(e) 在不同温度下，工作在光电二极管模式的器件在无光照/有光照下的电流-偏压曲线

(f) 零偏压光电流和反向饱和暗电流随温度的关系

图5 界面钝化与性能比较

(a) 加入与未加入单层二硫化钼钝化层的器件的噪声谱密度-频率关系对比

(b) 本工作与文献中其他石墨烯复合光电导探测器的响应时间与响应度的对比

文献链接：Hybrid Graphene Tunneling Photoconductor with Interface Engineering Towards Fast Photoresponse and High Responsivity (npj 2D Materials and Applications, 2017, doi:10.1038/s41699-017-0016-4)

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