Science：具有超過500吉赫茲帶寬的超材料石墨烯光電探測器

01. 導讀

石墨烯已經實現了許多最初預測的特性，并且正朝著市場邁進。然而，盡管預測的市場影響巨大，基于石墨烯的高性能電子和光子學仍然落后。盡管如此，已經報道了一些令人印象深刻的光電子器件演示，涉及調制器、混頻器和光電探測器（PDs），特別是利用石墨烯的高載流子遷移率、可調電學特性和相對容易集成的石墨烯光電探測器已經得到了證明，例如展示了利用光增益效應的高響應度或超過100 GHz的帶寬。從紫外線到遠紅外線之間，盡管石墨烯幾乎具有均勻吸收特性，但其相對低的吸收率約為2.3%，這是其中一個主要挑戰。因此，大多數速度最快、性能最佳的探測器都是在硅或硅化物等光子集成電路（PIC）平臺上進行演示的。通過石墨烯的電場的平行傳播，可以提供更長的相互作用長度，從而增加吸收率。通過使用等離子體增強技術，甚至可以實現更短和更敏感的探測器。盡管在光子集成電路上使用石墨烯已經展示了多種功能應用，但光子集成電路的整合也有其代價。光子集成電路的整合限制了可訪問的波長范圍，無論是由于波導材料（如Si）的透明度限制，還是由于集成光學電路元件（如光柵耦合器、分光器等）的有限帶寬。此外，光子集成電路的整合對偏振依賴性和占地面積都有一定的限制，這是由于訪問波導的原因。光子集成電路的模式和等離子體增強也意味著所有光線只與石墨烯的一個非常有限的體積相互作用，導致早期飽和的發生，有效地將最大可提取的光電流限制在微安級別。作為一種替代方案，可以直接從自由空間垂直照射石墨烯。這種方法可以充分利用石墨烯的光電檢測能力，而不會受到所選擇光子平臺的限制。然而，這需要一種結構來有效增強石墨烯的吸收。此外，由于器件尺寸較大，對整體器件幾何結構和接觸方案的額外考慮更加關鍵。盡管如此，已經證明即使是與自由空間耦合的石墨烯探測器也可以達到超過40 GHz的帶寬。由于沒有光子集成電路的一些約束，整體效率不會受到耦合方案的影響，而且其他屬性，如不同波長和偏振，現在也可以自由訪問。例如，最近利用任意偏振方向來演示了中紅外區域的極化解析檢測中的定向光電流。

石墨烯提供了多種物理檢測效應：與傳統的光電探測器（如PIN光電二極管或玻璃熱計）只使用一種特定的檢測機制不同，石墨烯探測器具有多種不同的檢測機制，例如基于載流子的機制[光電導（PC）和光伏（PV）]，熱機制[玻璃熱（BOL）和光熱電（PTE）]，或者增益介質輔助的機制。最近的器件演示已經朝著光熱電復合操作的方向推進，以克服依賴偏置檢測機制時的高暗電流問題。對石墨烯的時間分辨光譜測量表明，載流子動力學可以實現超過300 GHz的熱和基于載流子的石墨烯光電探測器。對于設計高速、高效的石墨烯光電探測器來說，目前仍不清楚哪種直接檢測機制（PV、PC、BOL或PTE）可以實現最高的帶寬，并且這些效應中的許多效應可以同時存在于一個器件中，使得專門的設計變得困難。

02. 成果掠影

鑒于此，瑞士蘇黎世聯邦理工學院電磁場研究所Stefan M. Koepfli報道了一種零偏置的石墨烯光電探測器，其電光帶寬超過500 GHz。我們的器件在環境條件下可以覆蓋超過200 nm的大波長范圍，并可適應各種不同的中心波長，從小于1400 nm到大于4200 nm。材料完美吸收層提供共振增強效應，同時充當電接觸，并引入P-N摻雜，實現高效快速的載流子提取。光可以通過標準單模光纖直接耦合到探測器上。直接的自由空間耦合使光功率可以分布，導致高于100 mW的飽和功率和超過1 W的損傷閾值。該探測器已經經過高速操作測試，最高速率可達132 Gbit/s，采用兩電平脈沖幅度調制格式（PAM-2）。多層結構幾乎可以獨立于基底進行加工處理，為成本效益高的技術奠定了基礎，該技術可以實現與電子器件的緊密單片集成。我們進一步展示了該方法的多樣性，通過調整超材料的幾何形狀，使其在中紅外波長范圍內工作，從而在原本缺乏此類探測器的范圍內提供高速和成本效益高的探測器。因此，這種新型傳感器為通信和感知應用提供了機會。相關研究成果以“Metamaterial graphene photodetector with bandwidth exceeding 500 gigahertz”為題，發表在頂級期刊《Science》上。

03. 核心創新點

本文的核心創新點包括：

1. 基于圖形石墨烯的光電探測器：本文提出了一種利用單層石墨烯的光電探測器。與傳統的光電二極管或波爾計可以利用一種特定的探測機制不同，圖形石墨烯探測器具有多種不同的探測機制，包括載流子機制、熱機制和增益介質輔助機制。
2. 電光帶寬：本文展示了具有大于500 GHz的電光帶寬的圖形石墨烯探測器。這意味著該探測器能夠高速響應光信號，適用于高速通信和數據傳輸。
3. 多波段操作和寬光譜范圍：圖形石墨烯探測器能夠在多個波段上工作，并且具有超過200 nm的寬光譜范圍。這使得該探測器在通信和傳感等領域具有廣泛的應用潛力。
4. 自由空間耦合和緊湊集成：本文展示了通過自由空間耦合的方式將光信號直接耦合到探測器中，避免了光子集成電路中的限制，并且實現了緊湊的集成。這使得探測器具有更好的靈活性和可擴展性。
5. 高飽和功率和低壓操作：圖形石墨烯探測器具有高飽和功率，能夠抵消響應度的影響。此外，它還能在低電壓范圍內進行操作，與CMOS技術兼容，使得探測器具有更低的功耗和更好的性能。

04. 數據概覽

圖1. 間隔式石墨烯超材料光電探測器的藝術視角。（A）從頂部直接通過單模光纖照射器件的藝術化表現。（B）器件結構的可視化。光電探測器由金反射層背板、氧化鋁間隔層、單層石墨烯和相連的偶極子諧振器組成。金屬線具有交替的接觸金屬，由銀或金制成。然后，該結構由氧化鋁鈍化層封頂。

圖2. 制備的器件和模擬的光學和電子行為。（A至D）所提出的超材料石墨烯光電探測器（鈍化前）的掃描電子顯微圖，放大倍數不同。顯微圖展示了從電信號線到活動區域再到諧振器元件的器件結構。在（D）中顯示了四個單元格（每個單元格大小為1 mm × 1 mm），位于x和y坐標系中。比例尺分別為50mm（A），5 mm（B）和1 mm（C）。（E至G）同一單元格的模擬光學和靜電行為。圖（E）中展示了電磁場分布下的偶極子天線行為，圖（F）中展示了相應的吸收分布。大部分吸收都集中在偶極子諧振器附近。圖（G）中展示的模擬接觸金屬引起的電勢偏移顯示了由于交替接觸金屬而引起的P-N摻雜。沿著每種模擬類型（（E）至（G））的中心線（y = 1000 nm）的橫截面位于每個面板的底部，顯示光學信號和摻雜在接觸區域附近最強。

圖3. 用于電信波長的器件性能。（A）用光學顯微鏡拍攝的器件在與電子探針接觸時的頂視圖（頂部）和側視圖（底部）圖像。圖像顯示了與單模光纖的直接光學耦合。DC表示直流，RF表示射頻。（B）歸一化的光電響應隨照射波長變化的曲線圖，顯示了共振增強和寬帶工作。FWHM表示半峰全寬。（C）光輸入功率變化范圍內提取的光電流，范圍跨越了五個數量級（黑線）。藍線對應于器件上的光功率（Int.），而黑線對應于單模光纖輸出的功率（Ext.）。響應度分別為R_ext = 0.75 mA/W和R_int = 1.57 mA/W。（D）石墨烯光電探測器在2至500 GHz范圍內的歸一化頻率響應。測量結果顯示平坦的響應，沒有滾降行為。WR代表波導矩形。（E）不同射頻音調下的歸一化射頻響應隨柵壓的變化。發現理想的柵壓在-2.5 ±1 V附近，使得響應平坦，這對應于輕微的P摻雜，可以從底部的電阻曲線中看出。電阻曲線進一步顯示靠近0 V的狄拉克點和非常小的滯后行為（在圖S2中進一步可視化）。（F）測量柵電壓范圍的相應模擬電勢剖面，顯示了理想的柵電壓（以紅色突出顯示），對應于兩個接觸電平中心處的摻雜。

圖4. 光譜可調性和多共振結構。（A至C）模擬（A）和測量（B）不同元件共振器長度的光譜吸收，展示了元件結構的可調性。圖中給出了四個示例的極化無關設計的掃描電子顯微鏡圖像（C），其中顏色對應于（A）中所示的共振器長度刻度。比例尺為1 mm。（D至G）多共振器件的概念。（D）針對1550和2715 nm的雙共振器件的掃描電子顯微鏡圖像。頂部比例尺為1 mm，底部比例尺為5 mm。（E）相應的電場模擬，使用3個單元單元格乘以2個單元單元格的雙共振器件，激發波長分別為1550和2715 nm，顯示了兩個不同尺寸共振器的清晰偶極子行為。（F）器件上的光電流與光功率的關系圖和（G）兩個波長的測量響應度與電壓的關系圖。

05. 成果啟示

我們展示的2 GHz至500 GHz以上的電光帶寬光電探測器與傳統的PIN光電探測器技術和單向載流子光電二極管相媲美。垂直入射的元件結構圖形PD在單個器件中充分發揮了圖形的預期優勢。從概念上講，該探測器的性能利用了元件吸收增強、通過圖形-金屬接觸摻雜的內置電場、通過靜電門實現的良好控制的工作點以及化學氣相沉積生長的圖形的有效封裝。探測器依賴于相對簡單的金屬-絕緣體-圖形-金屬-絕緣體的層狀結構，這種結構潛在地可以在幾乎任何襯底上進行后處理，并支持與現有結構的高度密集的單片集成，類似于等離子體調制器的示例。與大多數先前關于圖形探測器的工作不同，我們展示了在無冷卻條件下的空氣穩定操作，使用了與互補金屬氧化物半導體（CMOS）兼容的低電壓范圍的柵壓，這是由于直接生長的封裝層結構與底部絕緣體設計的結合效果所致。通過這些器件，我們展示了132 Gbit/s的數據傳輸速率，這是迄今為止已知的最高速度的圖形數據傳輸速率。高飽和功率使得高速檢測成為可能。在受到射擊噪聲限制的通信系統中，高飽和功率可以抵消適度的響應度，因為信噪比與響應度和輸入功率成正比。此外，適度的響應度可以改善。以前的自由空間照明的圖形光電探測器依賴于載流子倍增或基于剝離的多層圖形而達到了更高的響應度，而沒有任何光學增強。因此，還有很大的空間來共同努力進一步完善這個概念，改進制造工藝，并實現更高質量的圖形材料。這些努力很可能會導致新一代的基于圖形的探測器，具有足夠的響應度。最后，大于500 GHz的高帶寬和圖形的波長無關吸收使得探測器可以在從1400 nm到4200 nm及更遠的范圍內的任何波長上工作。這對于傳感和通信都是相關的。例如，在電信領域，持續增長的數據需求導致了對新通信頻段的強烈需求。這種具有緊湊尺寸和與CMOS集成能力的新型探測器可能能夠滿足當前迫切需求。

原文詳情：

Metamaterial graphene photodetector with bandwidth exceeding 500 gigahertz

Stefan M. Koepfli, Michael Baumann, Yesim Koyaz, Robin Gadola, Arif Gngr, Killian Keller, Yannik Horst, ShadiNashashibi, Raphael Schwanninger, Michael Doderer, Elias Passerini, Yuriy Fedoryshyn, and Juerg Leuthold.Science, 380 (6650), DOI: 10.1126/science.adg8017.

本文由Andy供稿。