中國(guó)電子元件行業(yè)協(xié)會(huì)
China Electronic Components Association
二維材料及其異質(zhì)結(jié)構(gòu)在發(fā)展具有高增益、響應(yīng)和信噪比的雪崩光電探測(cè)器（APD）方面顯示出巨大的潛力。其中石墨烯以其超薄的厚度、卓越的載流子遷移速度、微小的帶隙以及出色的柔韌性而備受關(guān)注。單層石墨烯（SLG）與半導(dǎo)體材料通過范德華力結(jié)合時(shí)可以形成一種特殊的結(jié)，從而有效抑制暗電流和器件噪聲。盡管如此，SLG的光吸收能力相對(duì)較低，僅為2.3%，這在一定程度上限制了其在光電探測(cè)器的性能。宏觀組裝石墨烯納米膜（nMAG）因其在大面積均勻合成、高結(jié)晶度和可調(diào)節(jié)厚度方面的優(yōu)勢(shì)，展現(xiàn)出作為高性能光電探測(cè)器的潛力。nMAG在紅外波段的光吸收率高達(dá)40%，并且能夠?qū)崿F(xiàn)與襯底原子級(jí)緊密結(jié)合。
浙江大學(xué)高分子系高超教授與集成電路學(xué)院徐楊教授組成的研究團(tuán)隊(duì)成功研制了一種新型光電探測(cè)器，通過nMAG與外延硅（epi-Si）集成，制備了具有低缺陷密度異質(zhì)結(jié)和優(yōu)異性能的光譜依賴性的垂直異質(zhì)結(jié)構(gòu)光電探測(cè)器。這項(xiàng)創(chuàng)新成果以“Multilayer Graphene/Epitaxial Silicon Near-Infrared Self-Quenched Avalanche Photodetectors”為題，發(fā)表在Advanced Optical Materials期刊上。
該研究團(tuán)隊(duì)提出了一種基于nMAG和epi-Si構(gòu)成的異質(zhì)結(jié)構(gòu)光電探測(cè)器。高結(jié)晶nMAG具有一些皺紋但表面平坦，被轉(zhuǎn)移到輕摻雜的epi-Si上以形成nMAG/epi-Si異質(zhì)結(jié)器件（如圖1a）。為了充分利用多層石墨烯的高吸收系數(shù)和epi-Si的低碰撞電離系數(shù)比，多層石墨烯作為主要光吸收層，拓寬硅基光電探測(cè)器的探測(cè)波段，尤其是在紅外波段；而輕摻雜的epi-Si則作為光生電子倍增區(qū)，有效抑制了熱載流子的產(chǎn)生和倍增；重?fù)诫s的襯底硅可在硅半導(dǎo)體和金屬電極之間形成歐姆接觸，改善電流傳輸效率，從而減少整體功耗，提升能效。nMAG/epi-Si異質(zhì)結(jié)光電探測(cè)器在雪崩模式下還展現(xiàn)出自淬滅和高增益的特性，可在1550 nm的波長(zhǎng)下工作。圖2和圖3展示了nMAG/epi-Si 器件在紅外波長(zhǎng)下的光響應(yīng)評(píng)估。
圖1 nMAG/epi-Si光電探測(cè)器的示意圖和相關(guān)特性
圖2 nMAG/epi-Si光電探測(cè)器的光譜依賴性和光開關(guān)特性
圖3 nMAG/epi-Si光電探測(cè)器在1550 nm波長(zhǎng)下的表征
當(dāng)偏置電壓增加時(shí)，nMAG層充當(dāng)nMAG/epi-Si器件中近紅外長(zhǎng)波光譜的吸收層，如圖 4a 所示。另一方面，輕摻雜的epi-Si層用作乘法層，通過控制施加的偏置，可以調(diào)整nMAG層中的電場(chǎng)，在其中吸收光并產(chǎn)生光載流子。光生電子在相對(duì)較寬的耗盡區(qū)內(nèi)的大內(nèi)電場(chǎng)下獲得較大的動(dòng)能，并且可以通過與晶格中的價(jià)電子進(jìn)行碰撞電離來(lái)實(shí)現(xiàn)雪崩倍增，從而產(chǎn)生自由電子呈指數(shù)增長(zhǎng)，導(dǎo)致光電流迅速增加。nMAG/epi-Si APD在相對(duì)較小的反向偏置下觀察到內(nèi)部倍增效應(yīng)，提取的增益值高達(dá)1123，這比大多數(shù)基于二維材料報(bào)道的APD都要高。在1550 nm波長(zhǎng)下，nMAG/epi-Si APD表現(xiàn)出2.51 mA W?1的高響應(yīng)度和的2.67 × 10? Jones探測(cè)率，高于沒有雪崩的光電二極管（如圖4d）。
圖4 nMAG/epi-Si APD的工作機(jī)制和雪崩倍增特性
此外，nMAG/epi-Si光電探測(cè)器作為光信號(hào)接收器集成到光通信系統(tǒng)中以測(cè)量眼圖，進(jìn)一步證明了其在實(shí)際光學(xué)應(yīng)用中的可行性，如圖5所示。nMAG/epi-Si APD表現(xiàn)出低噪聲電流，其快速響應(yīng)能力使其應(yīng)用于近紅外通信數(shù)據(jù)鏈路時(shí)，最大實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到38 Mbps。另外，該光電探測(cè)器還可以在室溫下用于近紅外雙色探測(cè)，并已成功實(shí)驗(yàn)。
圖5 近紅外光通信的性能表征
這項(xiàng)研究將為基于二維材料硅基異質(zhì)結(jié)構(gòu)的光電探測(cè)應(yīng)用提供新的思路，也為基于二維/硅異質(zhì)結(jié)構(gòu)的光通信器件和近紅外圖像傳感器的開發(fā)提供了指導(dǎo)。
