劍橋大學ACS Nano：諧振腔增強型石墨烯/硅肖特基光電探測器
【引言】
紅外1550 nm探測在光通信以及遙感技術等應用場景都能發揮重要的作用。比如在現代光通訊中，用1550 nm波長的光有利于減少光纖的光吸收，達到低損耗傳播。因此許多用于1550 nm探測的光電探測器被研制，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體，這些材料在紅外的吸收超過90%。然而這些材料與現有的基于硅技術的CMOS集成電路的兼容性都不夠好。開發一種硅基的與COMS集成電路相兼容的1550 nm光電探測變得尤為重要。現已研制出石墨烯/硅結合的1550 光電探測器件可以很好的與現有的COMS集成電路進行結合，但是其響應度低至5 mA/W，遠小于三五族化合物與鍺基的光電探測器的響應度(0.5-0.9 A/W)，因此提高石墨烯/硅的響應度性能變得極為迫切。
【成果簡介】
近日，劍橋大學的Andrea C. Ferrari教授在ACS. Nano上發表了一篇名為“Vertically-Illuminated, Resonant-Cavity-Enhanced, Graphene-Silicon Schottky Photodetectors”的文章。該研究通過對器件增加一個增強型光學諧振器，成功的增強了石墨烯/硅界面的光吸收能力，將器件的響應度從原來的5 mA/W增強至240 mA/W。
【圖文簡介】
圖1 器件結構
(a).諧振腔增強型（RCE）單層石墨烯（SLG）/硅肖特基光電探測器件截面示意圖；
(b).器件結構的光學照片。
圖2 單層石墨烯的吸收譜
有金鏡諧振腔（紅線）與無金鏡諧振腔（黑線）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域的確定；
(c). 沉積鋁； ? ? ? ? ? ? ? ? ? (d). 沉積金；
(e). 轉移單層石墨烯；
(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：硅襯底的拉曼譜；黑線：轉移到硅上的單層石墨烯的拉曼譜；藍線：器件完全制備完后的拉曼譜；
(b). 綠線：剛生長在銅基上的單層石墨烯的拉曼譜；黑線：單層石墨烯轉移到硅上的拉曼峰；藍線：器件完全制備后的拉曼峰。
圖5 ?SLG/ Si 肖特基探測器的拉曼譜map
(a).G峰；
(b). I(2D)/I(G)。
圖6 器件I-V曲線，勢壘與偏壓的關系
(a). SLG/Si 光電探測器件的半對數I-V曲線，實驗數據與模擬曲線；
(b). SLG/Si 間肖特基勢壘與偏壓的關系曲線。
圖7 光電測量裝置與器件的光譜響應
(a). 光電測試裝置示意圖；
(b). 諧振腔增強SLG/Si肖特基器件的光譜響應曲線。
圖8 器件的響應度
(a). 有金鏡(紅線)與無金鏡(黑線)的諧振腔增強型光電探測的響應度曲線；
(b).響應度隨著反向偏壓增加的變化趨勢。
圖9 噪聲等效功率與總噪聲電流曲線
不同反向偏壓下的噪聲等效功率(黑線)與總噪聲電流曲線（藍線）。
【小結】
? 該研究通過給SLG/Si肖特基光電器件加上一個增強型諧振腔，成功的增強了SLG/Si層的光吸收能力，并且將器件的響應度從20 mA/W提高至250 mA/W。此外器件吸收的波長可以通過硅的厚度進行調控。該研究為開發高響應度，用于近紅外光譜探測的無光纖垂直照射型石墨烯/硅光電探測器鋪開了道路。
文獻鏈接：Vertically-Illuminated, Resonant-Cavity-Enhanced, Graphene-Silicon Schottky Photodetectors (ACS. Nano, 2017 DOI: 10.1021/acsnano.7b04792 ? Publication Date (Web): 26 Oct 2017)
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