摘要：2024年7月，浙江大学集成电路学院的徐杨教授团队在Advanced Optical Materials上发表了一篇题为“Multilayer Graphene/Epitaxial Silicon Near-Infrared Self-Quenched Ava
图1. (a)nMAG/epi-Si光电探测器的示意图，(b-c)nMAG/epi-Si光电探测器的光谱依赖性
2024年7月，浙江大学集成电路学院的徐杨教授团队在Advanced Optical Materials上发表了一篇题为“Multilayer Graphene/Epitaxial Silicon Near-Infrared Self-Quenched Avalanche Photodetectors”的文章。徐杨教授团队研究了一种新型的多层石墨烯纳米薄膜(nMAG)与外延硅(epi-Si)垂直异质结构光电探测器(下称nMAG/epi-Si探测器)。该探测器在1550 nm处展示了高响应度(2.51 mA·W−1)和探测率(2.67 × 109 Jones)，具有较低的雪崩启动电压和在雪崩倍增过程中的自熄能力，能够实现近红外光通信数据链路中的实时数据传输速率高达38 Mbps。
近年来，二维材料因出色的光电特性在光电器件领域受到广泛关注。但这些材料光吸收系数低，限制了其探测器的应用。为克服此问题，研究者提出使用二维材料构建雪崩光电探测器(APD)，通过碰撞电离实现高增益。然而，二维材料在倍增光生载流子的同时引入较大噪声，影响微弱光信号检测。此外，二维APD通常需要高偏压来产生碰撞电离，导致功耗较高。
浙江大学集成电路学院徐杨课题组在二维材料与硅基异质集成的研究基础之上，通过将多层石墨烯与外延硅异质集成，制造出一种具有低缺陷密度和光谱依赖性的垂直异质结构光电探测器(nMAG/epi-Si探测器)。多层石墨烯作为主要光吸收层，拓宽硅基光电探测器的探测波段;轻掺杂的外延硅则作为光生电子倍增区，有效抑制了热载流子的产生和倍增;重掺杂的基底硅可在硅半导体和金属电极之间形成欧姆接触，改善电流传输效率，从而减少整体功耗，提升能效。
测量方法与部分实验结果
研究团队将高结晶度的nMAG作为吸收层转移到轻掺杂的外延硅(epi-Si)上，形成垂直异质结构制备得到了nMAG/epi-Si 探测器(图1a)。
为了评估 nMAG/epi-Si 探测器的性能，研究团队研究了光谱响应特性、外量子效率(EQE)、特异性探测率(D*)和噪声等效功率(NEP)等四个指标的变化。研究团队通过改变单色光的波长，并测量每个波长下探测器的短路电流，可以得到反映光谱响应特性的光谱响应曲线。图1(b)展示了nMAG/epi-Si 探测器的光谱依赖性。光谱依赖性是通过配备单色仪、锁相放大器(OE1022 型)和 150W氙灯的响应测量系统测量的。nMAG/epi-Si 探测器在300-1100nm范围内表现出光谱依赖的光响应，其响应峰值为0.38 A/W-1。响应度随波长的依赖性表明，产生的光电流来自外延硅。此外nMAG/epi-Si 探测器在可见光区域的外部量子效率(EQE)高达60%，但随着激发波长在近红外区域的增加而降低。图1(c)展示了nMAG/epi-Si 探测器在300-1100nm波长范围内的D*和NEP光谱。结果显示，D*和NEP分别可以达到6.63×1012 Jones和5.80×10-13W/Hz-1/2。
图2展示了在可见光-近红外波段，从532nm到1064nm的照明下的测试结果。在反向偏置下，随着功率密度的增加，光电流增加了，而整流比rectification ratio降低了。这是由于在反向偏置下，光生载流子显著改变了少数载流子的浓度，从而导致了光敏电流的产生。
图2. nMAG/epi-Si探测器的光电特性：在(a)532nm和(c)1064nm下， nMAG/epi-Si探测器的I-V曲线在不同功率密度下的表现，以及在532nm(b)和1064nm(d)下, nMAG/epi-Si探测器在不同功率密度下的光伏特性。
nMAG/epi-Si探测器在雪崩模式下还展现出自淬灭和高增益的特性，可在1550 nm的波长下工作。当偏置电压增加时，nMAG层充当nMAG/epi-Si器件中近红外长波光谱的吸收层，如图3(a)所示。另一方面，轻掺杂的epi-Si层用作乘法层，通过控制施加的偏置，可以调整nMAG层中的电场，在其中吸收光并产生光载流子。光生电子在相对较宽的耗尽区内的大内电场下获得较大的动能，并且可以通过与晶格中的价电子进行碰撞电离来实现雪崩倍增，从而产生自由电子呈指数增长，导致光电流迅速增加。在1550 nm波长下，nMAG/epi-Si探测器表现出2.51 mA/W-1的高响应度和的2.67 × 109Jones探测率，高于没有雪崩的光电二极管(图4d)。
图3. nMAG/epi-Si APD的工作机制和雪崩倍增特性
nMAG/epi-Si探测器作为光信号接收器集成到光通信系统中以测量眼图，进一步证明了其在实际光学应用中的可行性，如图4所示。nMAG/epi-Si APD表现出低噪声电流，其快速响应能力使其应用于近红外通信数据链路时，最大实时数据传输速率达到38 Mbps。另外，该光电探测器还可以在室温下用于近红外双色探测，并已成功实验。
图4. 近红外光通信的性能表征
总结
研究团队制造出一种具有低缺陷密度和光谱依赖性的nMAG/epi-Si探测器，其在1550纳米波长下具有高响应度和探测率，适合近红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灭特性，减少了噪声并提高了信号稳定性。此外，探测器的低噪声和快速响应使其能实现38 Mbps的数据传输速率。这些特性表明，nMAG/epi-Si异质结构在红外探测和光通信领域具有很大的潜力。
来源：东方闪光
