轉(zhuǎn)載自：材料牛 編輯：金也

【引言】

紅外1550 nm探測(cè)在光通信以及遙感技術(shù)等應(yīng)用場(chǎng)景都能發(fā)揮重要的作用。比如在現(xiàn)代光通訊中，用1550 nm波長(zhǎng)的光有利于減少光纖的光吸收，達(dá)到低損耗傳播。因此許多用于1550 nm探測(cè)的光電探測(cè)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(dǎo)體，這些材料在紅外的吸收超過(guò)90%。然而這些材料與現(xiàn)有的基于硅技術(shù)的CMOS集成電路的兼容性都不夠好。開(kāi)發(fā)一種硅基的與COMS集成電路相兼容的1550 nm光電探測(cè)變得尤為重要。現(xiàn)已研制出石墨烯/硅結(jié)合的1550 光電探測(cè)器件可以很好的與現(xiàn)有的COMS集成電路進(jìn)行結(jié)合，但是其響應(yīng)度低至5 mA/W，遠(yuǎn)小于三五族化合物與鍺基的光電探測(cè)器的響應(yīng)度(0.5-0.9 A/W)，因此提高石墨烯/硅的響應(yīng)度性能變得極為迫切。

【成果簡(jiǎn)介】

近日，劍橋大學(xué)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(guò)對(duì)器件增加一個(gè)增強(qiáng)型光學(xué)諧振器，成功的增強(qiáng)了石墨烯/硅界面的光吸收能力，將器件的響應(yīng)度從原來(lái)的5 mA/W增強(qiáng)至240 mA/W。

【圖文簡(jiǎn)介】

圖1 器件結(jié)構(gòu)

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

(b).器件結(jié)構(gòu)的光學(xué)照片。

圖2 單層石墨烯的吸收譜

有金鏡諧振腔（紅線(xiàn)）與無(wú)金鏡諧振腔（黑線(xiàn)）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(zhuǎn)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(xiàn)：硅襯底的拉曼譜；黑線(xiàn)：轉(zhuǎn)移到硅上的單層石墨烯的拉曼譜；藍(lán)線(xiàn)：器件完全制備完后的拉曼譜；

(b). 綠線(xiàn)：剛生長(zhǎng)在銅基上的單層石墨烯的拉曼譜；黑線(xiàn)：?jiǎn)螌邮┺D(zhuǎn)移到硅上的拉曼峰；藍(lán)線(xiàn)：器件完全制備后的拉曼峰。

圖5  SLG/ Si 肖特基探測(cè)器的拉曼譜map

(a).G峰；

(b). I(2D)/I(G)。

圖6 器件I-V曲線(xiàn)，勢(shì)壘與偏壓的關(guān)系

(a). SLG/Si 光電探測(cè)器件的半對(duì)數(shù)I-V曲線(xiàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模擬曲線(xiàn)；

(b). SLG/Si 間肖特基勢(shì)壘與偏壓的關(guān)系曲線(xiàn)。

圖7 光電測(cè)量裝置與器件的光譜響應(yīng)

(a). 光電測(cè)試裝置示意圖；

(b). 諧振腔增強(qiáng)SLG/Si肖特基器件的光譜響應(yīng)曲線(xiàn)。

圖8 器件的響應(yīng)度

(a). 有金鏡(紅線(xiàn))與無(wú)金鏡(黑線(xiàn))的諧振腔增強(qiáng)型光電探測(cè)的響應(yīng)度曲線(xiàn)；

(b).響應(yīng)度隨著反向偏壓增加的變化趨勢(shì)。

圖9 噪聲等效功率與總噪聲電流曲線(xiàn)

不同反向偏壓下的噪聲等效功率(黑線(xiàn))與總噪聲電流曲線(xiàn)（藍(lán)線(xiàn)）。

【小結(jié)】

  該研究通過(guò)給SLG/Si肖特基光電器件加上一個(gè)增強(qiáng)型諧振腔，成功的增強(qiáng)了SLG/Si層的光吸收能力，并且將器件的響應(yīng)度從20 mA/W提高至250 mA/W。此外器件吸收的波長(zhǎng)可以通過(guò)硅的厚度進(jìn)行調(diào)控。該研究為開(kāi)發(fā)高響應(yīng)度，用于近紅外光譜探測(cè)的無(wú)光纖垂直照射型石墨烯/硅光電探測(cè)器鋪開(kāi)了道路。