香港中文大學許建斌研究組npj 2D Materials and Applications: 兼具快速度與高增益的石墨烯復合隧穿光電探測器

【引言】

石墨烯與其他半導體材料形成的復合光電探測器近年來得到廣泛關注。此類器件分為兩種工作模式：一種是在反向偏壓下的肖特基光電二極管模式，能提供超快的響應速度，但無增益效果。另一種是以石墨烯為導電通道，半導體材料作為吸光層來提供光生載流子的光電導模式，能達到超高增益，但由于石墨烯與半導體間存在大量界面態，其響應速度一般較慢。以上的響應速度與增益之間的權衡限制了基于石墨烯的光電探測器的實際應用。

【成果簡介】

近日，香港中文大學電子工程系許建斌教授、李昕明博士（共同通訊作者）與合作者在npj 2D Materials and Applications上發表題為“Hybrid graphene tunneling photoconductor with interface engineering towards fast photoresponse and high responsivity”的文章，本文第一作者為香港中文大學博士研究生陶立。本文作者設計了在光電導模式的石墨烯/硅復合光電探測器中加入界面鈍化層的思路，在保持器件高增益的同時實現了超快響應速度（17 ns）。研究小組采用表面無懸掛鍵的大面積、高質量單層二硫化鉬薄膜作為界面鈍化層，有效降低了界面態密度。同時禁帶寬度較大的單層二硫化鉬能作為隧穿勢壘，使得硅中的光生載流子快速穿過界面層到達石墨烯導電通道。對比試驗表明此光電探測器響應速度比未加入二硫化鉬界面層的器件提高3個數量級。這種在復合光電導中加入界面層的通用思路有望應用在其他類似結構的光電探測器中。

【圖文導讀】

圖1 器件結構與表征

(a, b) 器件結構示意圖和光學照片

(c) 石墨烯/單層二硫化鉬/硅異質結區的拉曼光譜

(d) 單層二硫化鉬的光學照片、光致發光譜以及高分辨透射電子顯微鏡圖片

圖2 器件的恒定光響應性能

(a) 光電流-溝道電壓關系

(b) 光電流-光功率關系

(c) 光電流-光波長關系

圖3 器件的暫態光響應性能

(a, b) 器件在2 Hz、100 kHz方波脈沖光信號下的響應

(c, d) 器件的光響應上升時間與下降時間。(c)中插圖為未加入二硫化鉬界面層的器件的光響應上升時間。

圖4 光生載流子的輸運過程

(a, b) 界面鈍化層為單層/多層二硫化鉬的器件的能帶圖

(c, d) 界面鈍化層為多層二硫化鉬的器件的暫態響應和光電流-光功率關系

(e) 在不同溫度下，工作在光電二極管模式的器件在無光照/有光照下的電流-偏壓曲線

(f) 零偏壓光電流和反向飽和暗電流隨溫度的關系

圖5 界面鈍化與性能比較

(a) 加入與未加入單層二硫化鉬鈍化層的器件的噪聲譜密度-頻率關系對比

(b) 本工作與文獻中其他石墨烯復合光電導探測器的響應時間與響應度的對比

文獻鏈接：Hybrid Graphene Tunneling Photoconductor with Interface Engineering Towards Fast Photoresponse and High Responsivity (npj 2D Materials and Applications, 2017, doi:10.1038/s41699-017-0016-4)

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