基于石墨烯/硅纳米线阵列异质结的响应式近红外光探测器

据麦姆斯咨询报道，近日，中国电子科技集团公司第四十八研究所的研究人员在《激光与红外》期刊上发表了题为“高性能石墨烯/硅纳米线阵列异质结光探测器”的最新论文，通过简单的化学气相沉积法（CVD）方法获得了石墨烯薄膜，并将其转移到硅纳米线阵列上，研制了一种响应式高灵敏度自驱动近红外（NIR）光探测器。在入射波长810nm、光强为90μＷ/cm²的光照下，光探测器的光电流响应度可以达到0.56A·W⁻¹，光电压响应度达1.24×10⁶V·Ｗ⁻¹，探测率为1.18×10¹²Jones。更重要的是，该器件具有30/32μs的快速升/降响应速度。

石墨烯（Gr）自2004年发现以来，就引起了全世界极大的关注。由于石墨烯的电学和光电特性良好，如石墨烯基透明电极因其具有比铟锡氧化物（ITO）等传统透明电极更高的透光率、更好的机械灵活性、更低的薄片电阻和可调谐的带隙，所以在各种光电器件（如太阳能电池、发光二氧化物、光电探测器、激光器和光电场效应晶体管）中显示出广阔的应用前景，特别是光探测中。因此，它在军事监视、天基预警、工业自动化、远程控制等方面具有不可思议的价值。

通过石墨烯和硅、锗等半导体结合，构成异质结光探测器，入射光可以很容易地穿透石墨烯薄膜，到达异质结，激发的电子-空穴对被内置电场隔开，形成光电流。硅纳米阵列结构（如纳米线或纳米孔阵列结构等）与薄膜形式和体块形式的光电探测器相比，具有界面面积大、电荷传输快等优点，从而可通过缩短少数载流子收集电荷的路径来进一步提高灵敏度。

基于此，在本文中，研究了一种基于硅纳米线阵列/石墨烯异质结的高灵敏度近红外光探测器，并对其电性能与光学特性进行了研究。

器件的制备

首先分别采用化学气相沉积法制备大面积石墨烯薄膜和金属辅助化学湿法刻蚀合成了纳米线阵列。

为了制备硅纳米线阵列/石墨烯异质结构光探测器，首先用原子层沉积（Atomic Layer Deposition，ALD）在ｎ-Si衬底上沉积生长二氧化硅绝缘层，然后用传统的紫外光刻法在氧化片衬底上定义了一个窗口（0.04×0.04cm²）（电阻率：1～10Ωcm⁻¹），用湿法蚀刻工艺去除窗区内的绝缘层。然后，通过聚甲基丙烯酸甲酯（polymethyl methacrylate， PMMA）辅助转移技术，将合成的单层石墨烯膜转移到刻蚀好纳米线阵列的硅基片上形成异质结，30℃加热台上放置3h，之后将器件放入丙酮中浸泡10min，换丙酮再次浸泡1h，以去除表面PMMA。最后，利用实验室制备的掩膜版，通过高真空电子束蒸发在二氧化硅层上沉积50nm厚的金作为环形顶电极，将铟镓（In-Ga）合金附着在硅基板的背面，作为底部电极。

性能测试

采用岛津紫外-2550紫外-可见分光光度计测定吸收光谱。电学测量在半导体参数测试系统（Keithley 4200-SCS）上进行，光谱响应在单色仪（LE-SP-M300）上进行。采用不同波长（265、365、450、530、660、730、810、970和1050nm）的激光二极管作为光源，研究光响应。所有光源的功率强度都由功率计（Thorlabs GmbH，PM100D）仔细校准。图1（a）是展示了纳米线阵列/石墨烯异质结构光探测器的制作过程的原理图，图1（b）和（c）分别为纳米线阵列的截面SEM图像和顶部SEM图像，可以看出，硅纳米线阵列的长度均匀，约为（3±0.3）μｍ。从图b中统计的硅纳米线阵列的直径分布可以看出，硅纳米线阵列的平均直径约为（100±10）nm。

图1 器件制备示意图及硅纳米线表征

图2（a）描述了黑暗环境下硅纳米线阵列/石墨烯异质结构光探测器的I-V特性。该器件在零偏压下暗电流为2.4×10⁻¹¹A。显然，该异质结表现出很好的整流特性，在±3V范围内的整流比高达6.93×10⁵，高于此前报道的类似结构的异质结（PdSe2/金字塔硅和平面硅/石墨烯）。

图2（b）和（c）研究了器件在室温下810nm近红外光照射下的光响应特性，硅纳米线阵列/石墨烯异质结近红外光探测器的光响应与光照强度密切相关。图2（b）和（c）的功率均为0.20～10.1ｍＷ·cm⁻²。值得注意的是，在高功率照明下，由于载流子数量的增加，零偏置的光电压和光电流都随着光功率的增加而单调增加，如图2（d）所示。为了便于比较不同近红外探测器的光响应性能，计算了光电流响应度、电压响应度和外量子效率等关键性能指标。经过计算不同功率下的光电流响应度、电压响应度，发现它们均随光功率密度的增强而减小，如图2（e）所示。依据实验数据计算，在零偏压，光照强度为0.20ｍＷ·cm⁻²的810nm近红外光照射下，最大的光电流响应度、电压响应度和外量子效率值分别为560.1ｍA·Ｗ⁻¹、1.24×10⁶V·W⁻¹、85.9％。在810nm的波长下，这样一个相对较大的光电流响应度值超过石墨烯/硅异质结构（435ｍA·Ｗ⁻¹）。为了深入了解光响应对入射光波长的依赖关系，他们研究了恒定光功率（0.20ｍＷ）下不同波长光照下的光响应，如图2（f）所示的归一化的光电流响应图。光响应先随着入射光波长的增加而逐渐增加，然后随着入射光波长的进一步增加而显著下降，最大光响应出现在850nm左右。

图2 光电响应测试1

此外，该器件能够检测高频脉冲红外光，重复性好。图3（a）绘制了频率为1kHz和10kHz的810nm照射下的光响应曲线。很明显，该近红外光探测器可以很容易地在开或关状态之间重复。由图3（b）中频率为10kHz单个归一化周期的光响应曲线可知，上升和下降时间分别为30μs和32μs。通过图3（c）相对平衡（（Vmax-Vmin）/Vmax）与频率的关系，可以推断出f3dB带宽≈10kHz（f3dB带宽被描述为光响应下降到其峰值的70.7％的频率。从图3（d）噪声谱密度分析可知，纳米线阵列/石墨烯近红外光探测器的单位带宽（1Hz）噪声等效电流为1.9×10⁻¹⁴A·Hz⁻1/2。由此计算出在810nm光照下的探测率Ｄ*为1.18×10¹²Jones。

图3 光电响应测试2

结论

综上所述，研究人员通过简单的CVD方法获得了石墨烯薄膜，并将其转移到硅纳米线阵列上，研制了一种响应式近红外光探测器。制备的硅纳米线阵列/石墨烯异质结在810nｍ光照射下表现出明显的光伏特性，使得该器件可以不需要外加电压工作，降低了工作耗能。进一步研究发现，硅纳米线阵列/石墨烯异质结基近红外光探测器的光电流响应度、光电压响应度和外量子效率高达560.1ｍA·Ｗ⁻¹、1.24×10⁶V·W⁻¹、85.9％。通过Comsol软件仿真计算，较好的器件性能可以归因于纳米线阵列的强光陷波效应。

审核编辑：郭婷