基于石墨烯/硅納米線陣列異質(zhì)結(jié)的響應(yīng)式近紅外光探測器

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，中國電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所的研究人員在《激光與紅外》期刊上發(fā)表了題為“高性能石墨烯/硅納米線陣列異質(zhì)結(jié)光探測器”的最新論文，通過簡單的化學(xué)氣相沉積法（CVD）方法獲得了石墨烯薄膜，并將其轉(zhuǎn)移到硅納米線陣列上，研制了一種響應(yīng)式高靈敏度自驅(qū)動(dòng)近紅外（NIR）光探測器。在入射波長810nm、光強(qiáng)為90μＷ/cm2的光照下，光探測器的光電流響應(yīng)度可以達(dá)到0.56A·W?1，光電壓響應(yīng)度達(dá)1.24×10?V·Ｗ?1，探測率為1.18×1012Jones。更重要的是，該器件具有30/32μs的快速升/降響應(yīng)速度。

石墨烯（Gr）自2004年發(fā)現(xiàn)以來，就引起了全世界極大的關(guān)注。由于石墨烯的電學(xué)和光電特性良好，如石墨烯基透明電極因其具有比銦錫氧化物（ITO）等傳統(tǒng)透明電極更高的透光率、更好的機(jī)械靈活性、更低的薄片電阻和可調(diào)諧的帶隙，所以在各種光電器件（如太陽能電池、發(fā)光二氧化物、光電探測器、激光器和光電場效應(yīng)晶體管）中顯示出廣闊的應(yīng)用前景，特別是光探測中。因此，它在軍事監(jiān)視、天基預(yù)警、工業(yè)自動(dòng)化、遠(yuǎn)程控制等方面具有不可思議的價(jià)值。

通過石墨烯和硅、鍺等半導(dǎo)體結(jié)合，構(gòu)成異質(zhì)結(jié)光探測器，入射光可以很容易地穿透石墨烯薄膜，到達(dá)異質(zhì)結(jié)，激發(fā)的電子-空穴對被內(nèi)置電場隔開，形成光電流。硅納米陣列結(jié)構(gòu)（如納米線或納米孔陣列結(jié)構(gòu)等）與薄膜形式和體塊形式的光電探測器相比，具有界面面積大、電荷傳輸快等優(yōu)點(diǎn)，從而可通過縮短少數(shù)載流子收集電荷的路徑來進(jìn)一步提高靈敏度。

基于此，在本文中，研究了一種基于硅納米線陣列/石墨烯異質(zhì)結(jié)的高靈敏度近紅外光探測器，并對其電性能與光學(xué)特性進(jìn)行了研究。

器件的制備

首先分別采用化學(xué)氣相沉積法制備大面積石墨烯薄膜和金屬輔助化學(xué)濕法刻蝕合成了納米線陣列。

為了制備硅納米線陣列/石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)光探測器，首先用原子層沉積（Atomic Layer Deposition，ALD）在ｎ-Si襯底上沉積生長二氧化硅絕緣層，然后用傳統(tǒng)的紫外光刻法在氧化片襯底上定義了一個(gè)窗口（0.04×0.04cm2）（電阻率：1～10Ωcm?1），用濕法蝕刻工藝去除窗區(qū)內(nèi)的絕緣層。然后，通過聚甲基丙烯酸甲酯（polymethyl methacrylate， PMMA）輔助轉(zhuǎn)移技術(shù)，將合成的單層石墨烯膜轉(zhuǎn)移到刻蝕好納米線陣列的硅基片上形成異質(zhì)結(jié)，30℃加熱臺(tái)上放置3h，之后將器件放入丙酮中浸泡10min，換丙酮再次浸泡1h，以去除表面PMMA。最后，利用實(shí)驗(yàn)室制備的掩膜版，通過高真空電子束蒸發(fā)在二氧化硅層上沉積50nm厚的金作為環(huán)形頂電極，將銦鎵（In-Ga）合金附著在硅基板的背面，作為底部電極。

性能測試

采用島津紫外-2550紫外-可見分光光度計(jì)測定吸收光譜。電學(xué)測量在半導(dǎo)體參數(shù)測試系統(tǒng)（Keithley 4200-SCS）上進(jìn)行，光譜響應(yīng)在單色儀（LE-SP-M300）上進(jìn)行。采用不同波長（265、365、450、530、660、730、810、970和1050nm）的激光二極管作為光源，研究光響應(yīng)。所有光源的功率強(qiáng)度都由功率計(jì)（Thorlabs GmbH，PM100D）仔細(xì)校準(zhǔn)。圖1（a）是展示了納米線陣列/石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)光探測器的制作過程的原理圖，圖1（b）和（c）分別為納米線陣列的截面SEM圖像和頂部SEM圖像，可以看出，硅納米線陣列的長度均勻，約為（3±0.3）μｍ。從圖b中統(tǒng)計(jì)的硅納米線陣列的直徑分布可以看出，硅納米線陣列的平均直徑約為（100±10）nm。

圖1 器件制備示意圖及硅納米線表征

圖2（a）描述了黑暗環(huán)境下硅納米線陣列/石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)光探測器的I-V特性。該器件在零偏壓下暗電流為2.4×10?11A。顯然，該異質(zhì)結(jié)表現(xiàn)出很好的整流特性，在±3V范圍內(nèi)的整流比高達(dá)6.93×10?，高于此前報(bào)道的類似結(jié)構(gòu)的異質(zhì)結(jié)（PdSe2/金字塔硅和平面硅/石墨烯）。

圖2（b）和（c）研究了器件在室溫下810nm近紅外光照射下的光響應(yīng)特性，硅納米線陣列/石墨烯異質(zhì)結(jié)近紅外光探測器的光響應(yīng)與光照強(qiáng)度密切相關(guān)。圖2（b）和（c）的功率均為0.20～10.1ｍＷ·cm?2。值得注意的是，在高功率照明下，由于載流子數(shù)量的增加，零偏置的光電壓和光電流都隨著光功率的增加而單調(diào)增加，如圖2（d）所示。為了便于比較不同近紅外探測器的光響應(yīng)性能，計(jì)算了光電流響應(yīng)度、電壓響應(yīng)度和外量子效率等關(guān)鍵性能指標(biāo)。經(jīng)過計(jì)算不同功率下的光電流響應(yīng)度、電壓響應(yīng)度，發(fā)現(xiàn)它們均隨光功率密度的增強(qiáng)而減小，如圖2（e）所示。依據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算，在零偏壓，光照強(qiáng)度為0.20ｍＷ·cm?2的810nm近紅外光照射下，最大的光電流響應(yīng)度、電壓響應(yīng)度和外量子效率值分別為560.1ｍA·Ｗ?1、1.24×10?V·W?1、85.9％。在810nm的波長下，這樣一個(gè)相對較大的光電流響應(yīng)度值超過石墨烯/硅異質(zhì)結(jié)構(gòu)（435ｍA·Ｗ?1）。為了深入了解光響應(yīng)對入射光波長的依賴關(guān)系，他們研究了恒定光功率（0.20ｍＷ）下不同波長光照下的光響應(yīng)，如圖2（f）所示的歸一化的光電流響應(yīng)圖。光響應(yīng)先隨著入射光波長的增加而逐漸增加，然后隨著入射光波長的進(jìn)一步增加而顯著下降，最大光響應(yīng)出現(xiàn)在850nm左右。

圖2 光電響應(yīng)測試1

此外，該器件能夠檢測高頻脈沖紅外光，重復(fù)性好。圖3（a）繪制了頻率為1kHz和10kHz的810nm照射下的光響應(yīng)曲線。很明顯，該近紅外光探測器可以很容易地在開或關(guān)狀態(tài)之間重復(fù)。由圖3（b）中頻率為10kHz單個(gè)歸一化周期的光響應(yīng)曲線可知，上升和下降時(shí)間分別為30μs和32μs。通過圖3（c）相對平衡（（Vmax-Vmin）/Vmax）與頻率的關(guān)系，可以推斷出f3dB帶寬≈10kHz（f3dB帶寬被描述為光響應(yīng)下降到其峰值的70.7％的頻率。從圖3（d）噪聲譜密度分析可知，納米線陣列/石墨烯近紅外光探測器的單位帶寬（1Hz）噪聲等效電流為1.9×10?1?A·Hz?1/2。由此計(jì)算出在810nm光照下的探測率Ｄ*為1.18×1012Jones。

圖3 光電響應(yīng)測試2

結(jié)論

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(zhuǎn)移到硅納米線陣列上，研制了一種響應(yīng)式近紅外光探測器。制備的硅納米線陣列/石墨烯異質(zhì)結(jié)在810nｍ光照射下表現(xiàn)出明顯的光伏特性，使得該器件可以不需要外加電壓工作，降低了工作耗能。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，硅納米線陣列/石墨烯異質(zhì)結(jié)基近紅外光探測器的光電流響應(yīng)度、光電壓響應(yīng)度和外量子效率高達(dá)560.1ｍA·Ｗ?1、1.24×10?V·W?1、85.9％。通過Comsol軟件仿真計(jì)算，較好的器件性能可以歸因于納米線陣列的強(qiáng)光陷波效應(yīng)。

審核編輯：郭婷