日本NTT研究所Nat. Photonics：“讀”出石墨烯光電轉換

大兵哥 12個月前 (08-31) 1953瀏覽

一、【導讀】

隨著數據業務預計將繼續呈指數增長，迫切需要超高帶寬和低功耗的光接收器，將光信號轉換為電信號。光電熱電（PTE）石墨烯光電探測器（PDs）由于其零暗電流操作、寬帶吸收和通過熱載流子倍增（HCM）的高轉換效率，是光電（O-E）轉換的有前景的平臺。飛秒光泵-探針測量表明，光激發的非平衡載流子在載流子溫度升高，然后溫度通過各種聲子相互作用在皮秒時間尺度上降低。由于這種超快能量弛豫，石墨烯PDs的dB帶寬預計將超過200?GHz。然而，盡管在基于各種配置中的PTE效應構建超快石墨烯PDs方面做出了相當大的努力，?由于諸如示波器或頻譜分析儀之類的讀出電子器件的帶寬限制，測得的帶寬僅限于70 GHz。石墨烯中的光電轉換是實現預期的超高速和低功耗信息技術的核心原理。然而，要揭示其機制和內在的時間尺度則需要探索未知的太赫茲電子學和設備架構。

二、【成果掠影】

近日，日本NTT研究所Katsumasa Yoshioka博士（一作兼通訊）團隊通過超快光電電流的芯片上電讀出成功地解決了高質量石墨烯中的光電轉換過程。通過使用電阻氧化鋅頂柵極抑制電阻-電容器電路的時間常數，研究人員構建了一個帶寬高達220 GHz的柵極可調諧石墨烯光電探測器。通過測量非局部光電流動力學，作者發現從電極上的光電流提取是準瞬時的，而且沒有可測量的載流子通過幾微米長的石墨烯，這完全遵循了Shockley-Ramo定理。產生光電流的時間從即刻到>4?ps均為可調，其起源被認為是與費米能級相關的帶內載流子-載流子散射。本研究結果填補了超快光學科學和器件工程之間的空白，加速了超快石墨烯光電子應用。相關研究成果以題為“Ultrafast intrinsic optical-to-electrical conversion dynamics in a graphene photodetector”發表在知名期刊Nature Photonics上。

三、【核心創新點】

構建了一個帶寬高達220 GHz的柵極可調諧石墨烯光電探測器，成功地解決了石墨烯中O-E轉換過程及其固有的時間尺度。

四、【論文掠影】

圖一、芯片上超快電讀數的設置 ? 2022 Springer Nature

（a）一種可以降低RC時間常數的ZnO頂柵，從而控制了封裝hBN的石墨烯的費米能級的設備結構示意圖。

（b）通道長度為5 μm的石墨烯器件的光學圖像。

（c）（b）的掃描光電流圖像。

（d）在泵浦位置5 μm(1)和5 μm(2)樣品中時間分辨光電流。

（e）（d）中由波形得到的歸一化傅里葉變換譜。

圖二、瞬時Shockley–Ramo響應和可調HCM ? 2022 Springer Nature

（a）不同柵極偏置電壓（Vgate）時，5 μM(2)的時間分辨光電流。

（b）（a）中峰值位置附近的歸一化波形，突出顯示柵極誘發的峰值偏移。

（c）實驗設置（I）-（III）的示意圖，用于測量非局部光電流提取動力學。

（d）從（c）中每個配置中提取的峰移，如相應的顏色圖所示。

（e）光電流上升時間與費米能級的函數關系。

圖三、不同載流子遷移率樣品的冷卻時間 ? 2022 Springer Nature

（a）不同樣品得到的時間分辨光電流。

（b）在EF?=??0.05?eV計算出的Seebeck系數（上）；從（a）中得到的不同樣品的衰減常數作為載流子遷移率的函數（下）。

圖四、電氣讀數與光電讀數 ? 2022 Springer Nature

（a）兩種不同方法的示意圖。

（b）用電學和光電學方法測量5 μm(1)和5 μm(2)樣品的時間分辨光電流。

五、【前景展望】

綜上所述，研究人員實現了PTE基石墨烯PDs中光電流的超快非局部電讀數。通過結合芯片上太赫茲光譜和和柵極可調諧器件與抑制的RC時間常數，作者成功地解決了石墨烯中的O-E轉換過程及其固有時間尺度。與預期相反，作者發現光電流產生的時間是可調的，從大費米能級立即響應到接近CNP時的>4ps，且通過可調諧帶內HCM通過光激發載流子的熱化來確定。研究還發現，根據Shockley-Ramo定理，在沒有載流子渡越時間的情況下，PDs上的光電流響應是準瞬時的。一旦實現熱化，光電流通過聲子相互作用降低載流子溫度而衰減。由于準瞬時光電流流動和可忽略的RC常數，本方法通過直接跟蹤載流子溫度的時間演變，作為石墨烯的超快測溫。這使得能夠更深入地了解石墨烯中的O-E轉換機制，為克服帶寬限制和獲得O-E轉換過程的定量理解而制定的處方可應用于任何基于PTE的石墨烯PD，并將為石墨烯光電器件的設計制定新標準。此外，本研究開發的平臺可以很容易地擴展到二維范德華材料及其異質結構，以研究特殊層間耦合（如層間熱載流子動力學、層間激子和移位電流）實現的O-E轉換的關鍵超快過程。本研究展示的片上超快電讀出通過演示如何在基本了解超快載流子動力學的基礎上實現功能（超快O-E轉換），消除了超快光學科學和設備工程之間的障礙，這有利于超快光電應用的發展。

文獻鏈接：Ultrafast intrinsic optical-to-electrical conversion dynamics in a graphene photodetector (Nature Photonics 2022, DOI: 10.1038/s41566-022-01058-z)

 

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