轉載自：材料牛 編輯：金也

【引言】

紅外1550 nm探測在光通信以及遙感技術等應用場景都能發(fā)揮重要的作用。比如在現代光通訊中，用1550 nm波長的光有利于減少光纖的光吸收，達到低損耗傳播。因此許多用于1550 nm探測的光電探測器被研制，其中大部分材料是三五族化合物，如引鎵砷、磷化銦等與四族鍺半導體，這些材料在紅外的吸收超過90%。然而這些材料與現有的基于硅技術的CMOS集成電路的兼容性都不夠好。開發(fā)一種硅基的與COMS集成電路相兼容的1550 nm光電探測變得尤為重要。現已研制出石墨烯/硅結合的1550 光電探測器件可以很好的與現有的COMS集成電路進行結合，但是其響應度低至5 mA/W，遠小于三五族化合物與鍺基的光電探測器的響應度(0.5-0.9 A/W)，因此提高石墨烯/硅的響應度性能變得極為迫切。

【成果簡介】

近日，劍橋大學的Andrea C. Ferrari教授在ACS. Nano上發(fā)表了一篇名為“Vertically-Illuminated, Resonant-Cavity-Enhanced, Graphene-Silicon Schottky Photodetectors”的文章。該研究通過對器件增加一個增強型光學諧振器，成功的增強了石墨烯/硅界面的光吸收能力，將器件的響應度從原來的5 mA/W增強至240 mA/W。

【圖文簡介】

圖1 器件結構

(a).諧振腔增強型（RCE）單層石墨烯（SLG）/硅肖特基光電探測器件截面示意圖；

(b).器件結構的光學照片。

圖2 單層石墨烯的吸收譜

有金鏡諧振腔（紅線）與無金鏡諧振腔（黑線）的吸收譜。

圖3 器件的制備流程

(a). 氧化硅層的沉積；

(b). 肖特基與歐姆接觸區(qū)域的確定；

(c). 沉積鋁；                   (d). 沉積金；

(e). 轉移單層石墨烯；

(f). 剪修石墨烯層；

(g). 金與石墨烯接觸；

(h). 背面金鏡沉積。

圖4  拉曼譜

(a). 紅線：硅襯底的拉曼譜；黑線：轉移到硅上的單層石墨烯的拉曼譜；藍線：器件完全制備完后的拉曼譜；

(b). 綠線：剛生長在銅基上的單層石墨烯的拉曼譜；黑線：單層石墨烯轉移到硅上的拉曼峰；藍線：器件完全制備后的拉曼峰。

圖5  SLG/ Si 肖特基探測器的拉曼譜map

(a).G峰；

(b). I(2D)/I(G)。

圖6 器件I-V曲線，勢壘與偏壓的關系

(a). SLG/Si 光電探測器件的半對數I-V曲線，實驗數據與模擬曲線；

(b). SLG/Si 間肖特基勢壘與偏壓的關系曲線。

圖7 光電測量裝置與器件的光譜響應

(a). 光電測試裝置示意圖；

(b). 諧振腔增強SLG/Si肖特基器件的光譜響應曲線。

圖8 器件的響應度

(a). 有金鏡(紅線)與無金鏡(黑線)的諧振腔增強型光電探測的響應度曲線；

(b).響應度隨著反向偏壓增加的變化趨勢。

圖9 噪聲等效功率與總噪聲電流曲線

不同反向偏壓下的噪聲等效功率(黑線)與總噪聲電流曲線（藍線）。

【小結】

  該研究通過給SLG/Si肖特基光電器件加上一個增強型諧振腔，成功的增強了SLG/Si層的光吸收能力，并且將器件的響應度從20 mA/W提高至250 mA/W。此外器件吸收的波長可以通過硅的厚度進行調控。該研究為開發(fā)高響應度，用于近紅外光譜探測的無光纖垂直照射型石墨烯/硅光電探測器鋪開了道路。