高探测能力的石墨烯-硅光电探测器

Smallliqinming光电探测器可以将光信号转换为电信号,进而实现对特定光信号的探测与响应。光电探测器在军事、工业、医疗、通讯等领域有着广泛的应用前景。一般情况下,光电探测器需要对特定波长的光信号具有高探测度与响应度、快速响应能力以及低噪声等性能。其中,归一化探测度是光电探测器的一个重要性能指标,其主要体现为探测微弱光信号的能力。当没有输入的光信号时,光电探测器存在微弱的输出电流,即暗电流或噪声电流。暗电流的存在,限制了光电探测器探测微弱光信号的能力。因此,如何降低暗电流,是提升光电探测器探测能力的一个重要研究方向。

具有独特结构与优异光电性能的石墨烯,被认为在光电器件领域有着广泛的应用前景。石墨烯-硅异质结已经被证明具有优异的光伏特性,并且可以被应用在光电探测领域。以往的研究中,石墨烯-硅异质结由于存在较高的暗电流,从而影响了其作为光电探测器的探测能力。基于这一问题,国家纳米科学中心李昕明博士、方英研究员与清华大学材料学院朱宏伟教授等人对石墨烯-硅异质结进行结构设计与优化,在石墨烯与硅的界面处引入氧化层后抑制暗电流,从而明显提升了光电探测器的归一化探测度。

相关工作发表在Small (doi: 10.1002/smll.201502336),并被选为当期封面(Front Cover)。

作者研究表明,通过在石墨烯-硅异质结的界面处,引入2nm厚的二氧化硅层,在无偏压条件下石墨烯-硅光电探测器的暗电流可以降低到0.1nA,而明电流并没有受到影响。进一步在真空条件下测试发现,暗电流还可以进一步降低0.05 nA,此时石墨烯-硅光电探测器对890nm光信号的归一化探测度可以达到5.77×1013 cm Hz1/2 W-1,比没有引入氧化层的石墨烯-硅光电探测器的归一化探测度提高了一个数量级。此时,石墨烯-硅光电探测器的响应度为0.73A/W, 响应时间为0.32 ms,回复时间为0.75 ms。此外,作者进一步研究了光电探测器的噪声谱密度。石墨烯-硅异质结的暗电流噪声谱密度主要由热噪声主导,当异质结施加偏压后,1/f噪声将会发挥主要作用。该研究不仅实现了对石墨烯-硅光电探测器探测性能的改进与优化,还有助于进一步推广到其他二维材料光电器件的结构设计与性能优化。