剑桥大学acs nano:谐振腔增强型石墨烯/硅肖特基光电探测器-j9九游会登录入口
转载自:材料牛 编辑:金也
【引言】
红外1550 nm探测在光通信以及遥感技术等应用场景都能发挥重要的作用。比如在现代光通讯中,用1550 nm波长的光有利于减少光纤的光吸收,达到低损耗传播。因此许多用于1550 nm探测的光电探测器被研制,其中大部分材料是三五族化合物,如引镓砷、磷化铟等与四族锗半导体,这些材料在红外的吸收超过90%。然而这些材料与现有的基于硅技术的cmos集成电路的兼容性都不够好。开发一种硅基的与coms集成电路相兼容的1550 nm光电探测变得尤为重要。现已研制出石墨烯/硅结合的1550 光电探测器件可以很好的与现有的coms集成电路进行结合,但是其响应度低至5 ma/w,远小于三五族化合物与锗基的光电探测器的响应度(0.5-0.9 a/w),因此提高石墨烯/硅的响应度性能变得极为迫切。
【成果简介】
近日,剑桥大学的andrea c. ferrari教授在acs. nano上发表了一篇名为“vertically-illuminated, resonant-cavity-enhanced, graphene-silicon schottky photodetectors”的文章。该研究通过对器件增加一个增强型光学谐振器,成功的增强了石墨烯/硅界面的光吸收能力,将器件的响应度从原来的5 ma/w增强至240 ma/w。
【图文简介】
图1 器件结构
(a).谐振腔增强型(rce)单层石墨烯(slg)/硅肖特基光电探测器件截面示意图;
(b).器件结构的光学照片。
图2 单层石墨烯的吸收谱
有金镜谐振腔(红线)与无金镜谐振腔(黑线)的吸收谱。
图3 器件的制备流程
(a). 氧化硅层的沉积;
(b). 肖特基与欧姆接触区域的确定;
(c). 沉积铝; (d). 沉积金;
(e). 转移单层石墨烯;
(f). 剪修石墨烯层;
(g). 金与石墨烯接触;
(h). 背面金镜沉积。
图4 拉曼谱
(a). 红线:硅衬底的拉曼谱;黑线:转移到硅上的单层石墨烯的拉曼谱;蓝线:器件完全制备完后的拉曼谱;
(b). 绿线:刚生长在铜基上的单层石墨烯的拉曼谱;黑线:单层石墨烯转移到硅上的拉曼峰;蓝线:器件完全制备后的拉曼峰。
图5 slg/ si 肖特基探测器的拉曼谱map
(a).g峰;
(b). i(2d)/i(g)。
图6 器件i-v曲线,势垒与偏压的关系
(a). slg/si 光电探测器件的半对数i-v曲线,实验数据与模拟曲线;
(b). slg/si 间肖特基势垒与偏压的关系曲线。
图7 光电测量装置与器件的光谱响应
(a). 光电测试装置示意图;
(b). 谐振腔增强slg/si肖特基器件的光谱响应曲线。
图8 器件的响应度
(a). 有金镜(红线)与无金镜(黑线)的谐振腔增强型光电探测的响应度曲线;
(b).响应度随着反向偏压增加的变化趋势。
图9 噪声等效功率与总噪声电流曲线
不同反向偏压下的噪声等效功率(黑线)与总噪声电流曲线(蓝线)。
【小结】
该研究通过给slg/si肖特基光电器件加上一个增强型谐振腔,成功的增强了slg/si层的光吸收能力,并且将器件的响应度从20 ma/w提高至250 ma/w。此外器件吸收的波长可以通过硅的厚度进行调控。该研究为开发高响应度,用于近红外光谱探测的无光纤垂直照射型石墨烯/硅光电探测器铺开了道路。
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