據麥姆斯咨詢報道，近日，中國電子科技集團公司第四十八研究所的研究人員成功開發了一種石墨烯/硅微米孔陣列異質結光探測器，該探測器實現了從紫外到近紅外光的寬光譜探測。硅微米孔陣列的光捕獲效應增強了探測器在紫外到近紅外的吸收，并且，硅微米孔陣列光滑的表面與石墨烯形成高質量異質結，實現了較低的載流子表面復合速率。相關成果以“基于石墨烯/硅微米孔陣列異質結的高性能近紅外光探測器”為題發表在《紅外技術》期刊上。

硅在地殼中含量豐富，具備高載流子遷移率、無毒和長期穩定性，比較容易與其他材料形成異質結構光探測器，因此，硅基光探測器是當前可見光至近紅外探測研究的主流體系。隨著硅工藝在不斷發展，商用硅基光探測器性能已在逐漸優化。目前商業化硅光電二極管通常采用高溫擴散或離子注入等工藝制備pn結或pin結形成，工藝較為復雜，且所使用設備較為昂貴，導致器件制備成本較高，制約了其進一步的推廣應用。因此，人們迫切需要開發低成本硅基光伏器件。

硅微米孔陣列結構是減少了材料成本的一種有效途徑，與平面薄膜和體塊結構相比，硅微納米陣列結構（如硅納米線陣列、硅柱陣列、硅孔陣列、硅納米錐陣列等）具有界面面積大、電荷傳輸快等優點。硅微納米陣列的周期性結構可以提高器件的光捕獲能力，增加有效光敏面積，從而提高器件整體吸收，同時微米陣列的大的表面體積比也可延長光激發載流子的壽命，減少載流子的渡越時間，最終提高了光電器件單位面積上的光電轉換效率。

另一方面，傳統的金屬/硅異質結器件存在光伏性能較差，使用壽命短的問題。通過石墨烯和硅半導體材料結合，構成異質結光探測器，入射光可以很容易地穿透石墨烯薄膜，到達異質結，激發的電子-空穴對被內置電場分離，形成光電流。因此，石墨烯已經在各種光電器件中顯示出廣闊的應用前景，尤其在光探測中。更重要的是，制備石墨烯/硅光探測器的主要過程可以通過室溫空氣環境中的溶液轉移過程來完成。因此，石墨烯/硅異質結光探測器已經成為高性能和低成本光電探測器與光伏應用的候選材料。

基于此，在本項研究中，利用化學氣相沉積法（CVD）制備的大面積石墨烯薄膜轉移到硅微米孔陣列襯底上，構建了石墨烯/硅微米孔陣列異質結構光探測器。圖1展示了石墨烯/硅微米孔陣列異質結光探測器的制作流程圖。

圖1 構造石墨烯/硅微米孔陣列異質結構光探測器的步驟示意圖

通過光刻和反應離子刻蝕技術制備的硅微米孔陣列具有整齊光滑的表面，保證了較低的表面載流子復合速率。同時，孔陣列結構能有效地抑制入射光的反射，增加了有效光照面積，提高了石墨烯/硅異質結的吸收效率，從而提高了器件的光響應度。在入射光強為118.00W/cm2的810nm光照下，光探測器的電流響應度可達到679.50mA/W，探測率為3.40×1012Jones；光強為7.00W/cm2時電壓響應度有1.79×106V/W。

圖2 光電響應測試與分析

此外，該器件能夠檢測高頻脈沖紅外光，具有良好的重復性。該近紅外光探測器可以很容易地在開或關狀態之間重復。實驗結果表明該器件具有20.00/21.30s的升/降響應速度。

圖3 響應速度測試與器件噪聲分析

綜上所述，研究人員通過簡單的CVD方法獲得了石墨烯薄膜，并將其轉移到刻蝕好的硅微米孔陣列上，制備出高性能的石墨烯/硅微米孔陣列異質結近紅外光探測器。制備的石墨烯/硅微米孔陣列異質結在零偏壓，810nm光照射下表現出明顯的光伏特性，展示了該器件可以在沒有外部電源的情況下檢測近紅外光的優秀性能。相比于商業化硅光電二極管，石墨烯/硅微米孔陣列光電探測器結構簡單、制備工藝簡便，有望大幅降低制備成本。研究結果顯示了石墨烯/硅微米孔陣列異質結探測器在未來低成本、穩定和高效近紅外光探測應用方面的巨大潛力。