【重點(diǎn)摘要】

這項(xiàng)研究由浙江大學(xué)林時(shí)勝教授團(tuán)隊(duì)等人發(fā)表。

• 制作了石墨烯/GaAs異質(zhì)結(jié)構(gòu)光檢測(cè)器

• 添加銀納米顆粒以進(jìn)行等離子增強(qiáng)

• 實(shí)現(xiàn)超高（210 mA/W）、寬頻（325-980 nm）的響應(yīng)度和探測(cè)度

• 從納米粒子等離子體重疊載流子分離區(qū)域進(jìn)行增強(qiáng)

• 可用于色彩檢測(cè)等應(yīng)用的可見光到近紅外的敏感度理想

• 協(xié)同石墨烯/GaAs/等離子體整合實(shí)現(xiàn)性能

【研究背景】

石墨烯展現(xiàn)出優(yōu)異的寬頻光檢測(cè)光電特性，但基于石墨烯的光檢測(cè)器的響應(yīng)度和探測(cè)度受限。將石墨烯與半導(dǎo)體作為異質(zhì)結(jié)構(gòu)整合可以增強(qiáng)性能，但半導(dǎo)體的能隙限制使先前的展示僅適用于狹窄光譜范圍，不適用于對(duì)敏感色彩檢測(cè)要求較高的應(yīng)用。GaAs是克服這些限制的理想候選者，其直接的1.42電子伏特能隙和高遷移率使其能夠?qū)崿F(xiàn)從可見光到近紅外的高性能光檢測(cè)。此外，石墨烯/GaAs界面上光產(chǎn)生載流子的超快分離為從局部表面等離子共振中獲得顯著增強(qiáng)提供了潛在可能性。本研究實(shí)現(xiàn)了一種等離子增強(qiáng)的石墨烯/GaAs異質(zhì)結(jié)構(gòu)光檢測(cè)器，其響應(yīng)度、探測(cè)度和325-980 nm范圍內(nèi)的寬頻響應(yīng)度，呈現(xiàn)了現(xiàn)有光檢測(cè)器無法匹敵的靈敏度。

【研究結(jié)果】

光響應(yīng)度和探測(cè)度

• 在405nm波長下，銀納米顆粒使光響應(yīng)度提高了38%，達(dá)到210mA/W，探測(cè)度提高了202%，達(dá)到2.98×10^13 Jones。

• 這種探測(cè)度超過先前基于石墨烯的光檢測(cè)器2至3個(gè)數(shù)量級(jí)。

• 提升效果覆蓋了從325nm到980nm的整個(gè)測(cè)試光譜范圍。

提升的光譜依賴性

• 在較短波長處表現(xiàn)出更大的增強(qiáng)，與銀納米顆粒等離子共振峰相匹配。

• 顯示提升來自表面等離子共振。

載流子壽命和EQE分析

• 更快的瞬態(tài)PL衰減（1.65ns對(duì)比1.97ns）表明銀納米顆粒將光吸收局部化在GaAs表面附近。

• 從300至1000nm的增加EQE與等離子增強(qiáng)相符。

• 以上確認(rèn)了表面等離子體能夠在異質(zhì)界面上更有效地分離載流子。

光學(xué)模擬

• 模擬顯示銀納米顆粒周圍和延伸至GaAs的近場(chǎng)集中。

• 與石墨烯/GaAs肖特基接面和GaAs光吸收深度重疊。

• 解釋了這種異質(zhì)系統(tǒng)中極為寬頻提升的來源。

【研究方法】

• 作者將CVD生長的石墨烯轉(zhuǎn)移到n型GaAs基板上，制作了石墨烯/GaAs異質(zhì)結(jié)構(gòu)光檢測(cè)器。

• 使用自旋涂布技術(shù)將銀納米顆粒（直徑100nm）涂覆到石墨烯表面，利用表面等離子共振提升器件性能。

• 在不同照射波長（325-980nm）下，以自供電模式測(cè)量了光電流、響應(yīng)度和探測(cè)度。

• 進(jìn)行了瞬態(tài)PL衰減和EQE測(cè)量，以研究性能提升機(jī)制。

【結(jié)論】

石墨烯與GaAs的協(xié)同作用通過石墨烯/GaAs接面耗盡區(qū)域、表面等離子近場(chǎng)和GaAs吸收深度的復(fù)雜重疊，帶來了顯著的寬頻增強(qiáng)。這種增強(qiáng)機(jī)制特別適用于石墨烯/直接帶隙半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)，例如石墨烯/GaAs。由此產(chǎn)生的增強(qiáng)效應(yīng)提高了響應(yīng)度、探測(cè)度和寬廣的光譜范圍，使其成為一款出色的光檢測(cè)器，特別適用于需要敏感彩色檢測(cè)的應(yīng)用，比如CCD成像。

隨著5G和移動(dòng)技術(shù)的進(jìn)步推動(dòng)先進(jìn)光電感應(yīng)器件融入日常生活，挑戰(zhàn)在于感光區(qū)域的縮小。然而，這種趨勢(shì)要求這些先進(jìn)光檢測(cè)器具有更出色的光感應(yīng)性能，增加了準(zhǔn)確測(cè)量量子效率的難度。傳統(tǒng)方法在波長分散引起的焦點(diǎn)位移方面存在困難，使得在微米級(jí)活躍區(qū)域內(nèi)精確捕捉全光譜量子效率曲線變得困難。

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