多层石墨烯/外延硅近红外自淬灭雪崩光电探测器（APD）

MEMS 2024-10-14 00:01

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二维材料及其异质结构在发展具有高增益、响应和信噪比的雪崩光电探测器（APD）方面显示出巨大的潜力。其中石墨烯以其超薄的厚度、卓越的载流子迁移速度、微小的带隙以及出色的柔韧性而备受关注。单层石墨烯（SLG）与半导体材料通过范德华力结合时可以形成一种特殊的结，从而有效抑制暗电流和器件噪声。尽管如此，SLG的光吸收能力相对较低，仅为2.3%，这在一定程度上限制了其在光电探测器的性能。宏观组装石墨烯纳米膜（nMAG）因其在大面积均匀合成、高结晶度和可调节厚度方面的优势，展现出作为高性能光电探测器的潜力。nMAG在红外波段的光吸收率高达40%，并且能够实现与衬底原子级紧密结合。

据麦姆斯咨询报道，浙江大学高分子系高超教授与集成电路学院徐杨教授组成的研究团队成功研制了一种新型光电探测器，通过nMAG与外延硅（epi-Si）集成，制备了具有低缺陷密度异质结和优异性能的光谱依赖性的垂直异质结构光电探测器。这项创新成果以“Multilayer Graphene/Epitaxial Silicon Near-Infrared Self-Quenched Avalanche Photodetectors”为题，发表在Advanced Optical Materials期刊上。

该研究团队提出了一种基于nMAG和epi-Si构成的异质结构光电探测器。高结晶nMAG具有一些皱纹但表面平坦，被转移到轻掺杂的epi-Si上以形成nMAG/epi-Si异质结器件（如图1a）。为了充分利用多层石墨烯的高吸收系数和epi-Si的低碰撞电离系数比，多层石墨烯作为主要光吸收层，拓宽硅基光电探测器的探测波段，尤其是在红外波段；而轻掺杂的epi-Si则作为光生电子倍增区，有效抑制了热载流子的产生和倍增；重掺杂的衬底硅可在硅半导体和金属电极之间形成欧姆接触，改善电流传输效率，从而减少整体功耗，提升能效。nMAG/epi-Si异质结光电探测器在雪崩模式下还展现出自淬灭和高增益的特性，可在1550 nm的波长下工作。图2和图3展示了nMAG/epi-Si 器件在红外波长下的光响应评估。

图1 nMAG/epi-Si光电探测器的示意图和相关特性

图2 nMAG/epi-Si光电探测器的光谱依赖性和光开关特性

图3 nMAG/epi-Si光电探测器在1550 nm波长下的表征

当偏置电压增加时，nMAG层充当nMAG/epi-Si器件中近红外长波光谱的吸收层，如图 4a 所示。另一方面，轻掺杂的epi-Si层用作乘法层，通过控制施加的偏置，可以调整nMAG层中的电场，在其中吸收光并产生光载流子。光生电子在相对较宽的耗尽区内的大内电场下获得较大的动能，并且可以通过与晶格中的价电子进行碰撞电离来实现雪崩倍增，从而产生自由电子呈指数增长，导致光电流迅速增加。nMAG/epi-Si APD在相对较小的反向偏置下观察到内部倍增效应，提取的增益值高达1123，这比大多数基于二维材料报道的APD都要高。在1550 nm波长下，nMAG/epi-Si APD表现出2.51 mA W⁻¹的高响应度和的2.67 × 10⁹ Jones探测率，高于没有雪崩的光电二极管（如图4d）。

图4 nMAG/epi-Si APD的工作机制和雪崩倍增特性

此外，nMAG/epi-Si光电探测器作为光信号接收器集成到光通信系统中以测量眼图，进一步证明了其在实际光学应用中的可行性，如图5所示。nMAG/epi-Si APD表现出低噪声电流，其快速响应能力使其应用于近红外通信数据链路时，最大实时数据传输速率达到38 Mbps。另外，该光电探测器还可以在室温下用于近红外双色探测，并已成功实验。