圖1. (a)nMAG/epi-Si光電探測(cè)器的示意圖，(b-c)nMAG/epi-Si光電探測(cè)器的光譜依賴性

2024年7月，浙江大學(xué)集成電路學(xué)院的徐楊教授團(tuán)隊(duì)在Advanced Optical Materials上發(fā)表了一篇題為“Multilayer Graphene/Epitaxial Silicon Near-Infrared Self-Quenched Avalanche Photodetectors”的文章。徐楊教授團(tuán)隊(duì)研究了一種新型的多層石墨烯納米薄膜(nMAG)與外延硅(epi-Si)垂直異質(zhì)結(jié)構(gòu)光電探測(cè)器(下稱nMAG/epi-Si探測(cè)器)。該探測(cè)器在1550 nm處展示了高響應(yīng)度(2.51 mA·W?1)和探測(cè)率(2.67 × 109 Jones)，具有較低的雪崩啟動(dòng)電壓和在雪崩倍增過(guò)程中的自熄能力，能夠?qū)崿F(xiàn)近紅外光通信數(shù)據(jù)鏈路中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)38 Mbps。

近年來(lái)，二維材料因出色的光電特性在光電器件領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。但這些材料光吸收系數(shù)低，限制了其探測(cè)器的應(yīng)用。為克服此問題，研究者提出使用二維材料構(gòu)建雪崩光電探測(cè)器(APD)，通過(guò)碰撞電離實(shí)現(xiàn)高增益。然而，二維材料在倍增光生載流子的同時(shí)引入較大噪聲，影響微弱光信號(hào)檢測(cè)。此外，二維APD通常需要高偏壓來(lái)產(chǎn)生碰撞電離，導(dǎo)致功耗較高。

浙江大學(xué)集成電路學(xué)院徐楊課題組在二維材料與硅基異質(zhì)集成的研究基礎(chǔ)之上，通過(guò)將多層石墨烯與外延硅異質(zhì)集成，制造出一種具有低缺陷密度和光譜依賴性的垂直異質(zhì)結(jié)構(gòu)光電探測(cè)器(nMAG/epi-Si探測(cè)器)。多層石墨烯作為主要光吸收層，拓寬硅基光電探測(cè)器的探測(cè)波段;輕摻雜的外延硅則作為光生電子倍增區(qū)，有效抑制了熱載流子的產(chǎn)生和倍增;重?fù)诫s的基底硅可在硅半導(dǎo)體和金屬電極之間形成歐姆接觸，改善電流傳輸效率，從而減少整體功耗，提升能效。

測(cè)量方法與部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果

研究團(tuán)隊(duì)將高結(jié)晶度的nMAG作為吸收層轉(zhuǎn)移到輕摻雜的外延硅(epi-Si)上，形成垂直異質(zhì)結(jié)構(gòu)制備得到了nMAG/epi-Si 探測(cè)器(圖1a)。

為了評(píng)估 nMAG/epi-Si 探測(cè)器的性能，研究團(tuán)隊(duì)研究了光譜響應(yīng)特性、外量子效率(EQE)、特異性探測(cè)率(D*)和噪聲等效功率(NEP)等四個(gè)指標(biāo)的變化。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)改變單色光的波長(zhǎng)，并測(cè)量每個(gè)波長(zhǎng)下探測(cè)器的短路電流，可以得到反映光譜響應(yīng)特性的光譜響應(yīng)曲線。圖1(b)展示了nMAG/epi-Si 探測(cè)器的光譜依賴性。光譜依賴性是通過(guò)配備單色儀、鎖相放大器(OE1022 型)和 150W氙燈的響應(yīng)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量的。nMAG/epi-Si 探測(cè)器在300-1100nm范圍內(nèi)表現(xiàn)出光譜依賴的光響應(yīng)，其響應(yīng)峰值為0.38 A/W-1。響應(yīng)度隨波長(zhǎng)的依賴性表明，產(chǎn)生的光電流來(lái)自外延硅。此外nMAG/epi-Si 探測(cè)器在可見光區(qū)域的外部量子效率(EQE)高達(dá)60%，但隨著激發(fā)波長(zhǎng)在近紅外區(qū)域的增加而降低。圖1(c)展示了nMAG/epi-Si 探測(cè)器在300-1100nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的D*和NEP光譜。結(jié)果顯示，D*和NEP分別可以達(dá)到6.63×1012 Jones和5.80×10-13W/Hz-1/2。

圖2展示了在可見光-近紅外波段，從532nm到1064nm的照明下的測(cè)試結(jié)果。在反向偏置下，隨著功率密度的增加，光電流增加了，而整流比rectification ratio降低了。這是由于在反向偏置下，光生載流子顯著改變了少數(shù)載流子的濃度，從而導(dǎo)致了光敏電流的產(chǎn)生。

圖2. nMAG/epi-Si探測(cè)器的光電特性：在(a)532nm和(c)1064nm下， nMAG/epi-Si探測(cè)器的I-V曲線在不同功率密度下的表現(xiàn)，以及在532nm(b)和1064nm(d)下, nMAG/epi-Si探測(cè)器在不同功率密度下的光伏特性。

nMAG/epi-Si探測(cè)器在雪崩模式下還展現(xiàn)出自淬滅和高增益的特性，可在1550 nm的波長(zhǎng)下工作。當(dāng)偏置電壓增加時(shí)，nMAG層充當(dāng)nMAG/epi-Si器件中近紅外長(zhǎng)波光譜的吸收層，如圖3(a)所示。另一方面，輕摻雜的epi-Si層用作乘法層，通過(guò)控制施加的偏置，可以調(diào)整nMAG層中的電場(chǎng)，在其中吸收光并產(chǎn)生光載流子。光生電子在相對(duì)較寬的耗盡區(qū)內(nèi)的大內(nèi)電場(chǎng)下獲得較大的動(dòng)能，并且可以通過(guò)與晶格中的價(jià)電子進(jìn)行碰撞電離來(lái)實(shí)現(xiàn)雪崩倍增，從而產(chǎn)生自由電子呈指數(shù)增長(zhǎng)，導(dǎo)致光電流迅速增加。在1550 nm波長(zhǎng)下，nMAG/epi-Si探測(cè)器表現(xiàn)出2.51 mA/W-1的高響應(yīng)度和的2.67 × 109Jones探測(cè)率，高于沒有雪崩的光電二極管(圖4d)。

圖3. nMAG/epi-Si APD的工作機(jī)制和雪崩倍增特性

nMAG/epi-Si探測(cè)器作為光信號(hào)接收器集成到光通信系統(tǒng)中以測(cè)量眼圖，進(jìn)一步證明了其在實(shí)際光學(xué)應(yīng)用中的可行性，如圖4所示。nMAG/epi-Si APD表現(xiàn)出低噪聲電流，其快速響應(yīng)能力使其應(yīng)用于近紅外通信數(shù)據(jù)鏈路時(shí)，最大實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到38 Mbps。另外，該光電探測(cè)器還可以在室溫下用于近紅外雙色探測(cè)，并已成功實(shí)驗(yàn)。

圖4. 近紅外光通信的性能表征

總結(jié)

研究團(tuán)隊(duì)制造出一種具有低缺陷密度和光譜依賴性的nMAG/epi-Si探測(cè)器，其在1550納米波長(zhǎng)下具有高響應(yīng)度和探測(cè)率，適合近紅外光通信和高分辨率成像。它在低反向偏置下有高增益和自淬滅特性，減少了噪聲并提高了信號(hào)穩(wěn)定性。此外，探測(cè)器的低噪聲和快速響應(yīng)使其能實(shí)現(xiàn)38 Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速率。這些特性表明，nMAG/epi-Si異質(zhì)結(jié)構(gòu)在紅外探測(cè)和光通信領(lǐng)域具有很大的潛力。

審核編輯 黃宇