【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。

来源：材料人