高量子效率和寬帶探測能力是紅外傳感技術(shù)的主要發(fā)展方向。然而，具有高效率的塊體材料在制造與集成復(fù)雜性方面一直面臨著諸多挑戰(zhàn)。與此同時，具有獨特零帶隙結(jié)構(gòu)的二維（2D）半金屬材料受到本征量子效率瓶頸的制約。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，由中國科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院、新加坡國立大學(xué)（National University of Singapore）、新加坡南洋理工大學(xué)（Nanyang Technological University）、新加坡科技研究局（A*STAR）、電子科技大學(xué)與中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所共同組成的科研團隊在Nature Communications期刊上發(fā)表了以“Synergistic-potential engineering enables high-efficiency graphene photodetectors for near- to mid-infrared light”為主題的論文。該論文的第一作者為中國科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院姜浩副研究員，通訊作者為中科院重慶綠色智能技術(shù)研究院魏興戰(zhàn)研究員、新加坡南洋理工大學(xué)高煒博教授、新加坡國立大學(xué)仇成偉教授和新加坡科技研究局Zhaogang Dong。

這項研究開發(fā)了一種具有可調(diào)控二維勢阱的超小型石墨烯光電探測器，探測范圍覆蓋近紅外（NIR）到中紅外（MIR）波段。由介電結(jié)構(gòu)構(gòu)建的二維勢阱可以在空間（橫向和縱向）上對石墨烯中的光生載流子產(chǎn)生強大的捕獲力并抑制其復(fù)合，從而提高器件的外量子效率（EQE）和光增益，并具有波長抗干擾能力，可在1.55 μm - 11 μm的紅外探測波段內(nèi)實現(xiàn)0.2 A/W - 38 A/W的高響應(yīng)度。該探測器在黑體輻射下獲得了接近1 × 10? cm √Hz W?1的室溫探測率。此外，二維勢阱中電場和光場的協(xié)同效應(yīng)使可調(diào)諧波長的高效偏振靈敏探測成為可能。該工作的策略為易于制造、高性能以及多功能紅外光電探測器開辟了新的可能性。

該石墨烯光電探測器的設(shè)計機制如圖1c所示。電增益的產(chǎn)生主要包括三個物理過程：（1）產(chǎn)生勢阱；（2）光生載流子的分離；（3）光電導(dǎo)增益過程。

圖1 石墨烯光電探測器的設(shè)計原理和機制

這種由狹縫結(jié)構(gòu)引起的電勢分布稱為狹縫效應(yīng)。當(dāng)在二維平面上沿兩個相互垂直的方向構(gòu)建狹縫結(jié)構(gòu)時，谷電勢分布將演變成二維勢阱。此時，狹縫效應(yīng)就會變?yōu)槎S狹縫效應(yīng)，將實現(xiàn)進一步的增強效果。研究人員利用設(shè)計與模擬仿真軟件（TCAD）進一步計算分析了狹縫結(jié)構(gòu)的表面電場分布，結(jié)果如圖2a所示。

圖2 界面電場分析

上述狹縫效應(yīng)可以通過提供高的光增益來顯著放大來自石墨烯的光電流，如圖3a所示。隨后，研究人員對該器件的性能進行了測試分析，相關(guān)結(jié)果如圖3所示。

圖3 石墨烯光電探測器的性能和電學(xué)測試分析

此外，電場工程引起的增益與光場的各向異性分布具有協(xié)同作用。研究人員通過將作為光門控（photogating）陷阱（trap）材料的介電材料設(shè)計成各向異性結(jié)構(gòu)，可以有效地實現(xiàn)高響應(yīng)度偏振靈敏探測。將設(shè)計參數(shù)設(shè)置為占空比（DC）= 0.3、H = 160 nm、L = 1 μm時，該器件結(jié)構(gòu)在X（垂直于光柵）和Y（平行于光柵）偏振方向上對波長為1.55 μm的光具有較高的反射偏振比，相關(guān)結(jié)果如圖4a所示。

圖4 石墨烯光電探測器的偏振響應(yīng)情況

最后，研究人員還研究了室溫下該器件的黑體探測性能，如圖5所示。圖5a為黑體探測系統(tǒng)示意圖。

圖5 器件的黑體表征

綜上所述，基于狹縫效應(yīng)的石墨烯/二維狹縫結(jié)構(gòu)光電探測器對于許多需要高靈敏度的技術(shù)至關(guān)重要，例如安全監(jiān)控、物體檢查和天文觀測等。此外，該器件可在室溫工作，并且具有寬波段探測范圍，這對于下一代紅外光電探測器來說是非常理想的。重要的是，該工作為多功能光電器件提供了可調(diào)控的設(shè)計。例如，該器件可以實現(xiàn)高增益的線性偏振靈敏探測，研究人員期望未來可以利用手性結(jié)構(gòu)的設(shè)計進一步實現(xiàn)圓偏振靈敏探測。與其它的石墨烯紅外探測器相比，這項工作在探測波長和響應(yīng)度方面頗具優(yōu)勢。此外，該器件的制備與硅基CMOS工藝完全兼容，這對于實現(xiàn)微型化高增益紅外探測器至關(guān)重要。

審核編輯：劉清