近日，東南大學(xué)物理學(xué)院倪振華教授課題組在石墨烯光電器件研究中取得一系列重要進(jìn)展，該課題組提出了一種新穎的界面態(tài)光電增益機(jī)制(Interfacial Amplification Mechanism)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了幾種高性能石墨烯光探測(cè)器，相關(guān)成果陸續(xù)發(fā)表在光學(xué)領(lǐng)域權(quán)威期刊Light: Science & Applications(2017)(影響因子：14.098)，Optica(2016)(2018)(影響因子：7.727)和電氣與電子工程協(xié)會(huì)(IEEE Electron Device Letters(2017))刊物上。
探測(cè)器在各行各業(yè)都有著廣泛的應(yīng)用。其中，位置靈敏探測(cè)器(Position Sensitive Detector，PSD)是一種基于橫向光電效應(yīng)的光探測(cè)器，在位置測(cè)量、形貌檢測(cè)、光學(xué)校準(zhǔn)、激光制導(dǎo)等領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。目前商用的PSD普遍基于硅(Si)材料的PN結(jié)或PIN結(jié)構(gòu)，Si材料較低的光響應(yīng)度(<1A/W)導(dǎo)致其極限探測(cè)光功率在微瓦(µW)級(jí)別及以上，且Si材料的禁帶寬度(~1.1eV)使其只能對(duì)小于1.1µm的光實(shí)現(xiàn)響應(yīng)，嚴(yán)重限制了其在弱光及寬波段位置探測(cè)中的應(yīng)用。
倪振華課題組提出了全新的界面態(tài)光增益機(jī)制，構(gòu)建了石墨烯/二氧化硅/輕摻雜硅這一器件結(jié)構(gòu)，利用輕摻雜Si中較長(zhǎng)的載流子壽命和石墨烯的超高載流子遷移率，獲得了約10的四次方的光電導(dǎo)增益，實(shí)現(xiàn)了弱光的快速、高靈敏探測(cè)，器件響應(yīng)度達(dá)到1000A/W，響應(yīng)時(shí)間低至400ns(Optica 3， 1066-1070 (2016))。進(jìn)一步，課題組利用該界面態(tài)光增益機(jī)制以及載流子的橫向擴(kuò)散效應(yīng)， 設(shè)計(jì)了基于石墨烯的新型PSD，實(shí)現(xiàn)了納瓦(nW)量級(jí)微弱光的快速位置探測(cè)，將常規(guī)Si基PSD的極限探測(cè)功率提升了近3個(gè)數(shù)量級(jí)，且具有小于1µm的位置分辨率，并展示了一維和二維位置傳感功能(Light: Science & Applications 6，e17113 (2017))。
為了實(shí)現(xiàn)器件在大面積位置探測(cè)中的應(yīng)用，課題組還設(shè)計(jì)了基于CVD石墨烯-Si肖特基結(jié)的無(wú)源PSD。該探測(cè)器有效工作尺寸達(dá)到了8mm x 8mm，且表現(xiàn)出與入射光形狀和功率無(wú)關(guān)的線(xiàn)性位置靈敏特性(非線(xiàn)性度只有3%)，在可見(jiàn)光波段極限探測(cè)功率低至17 nW。借助石墨烯的寬波段光吸收效應(yīng)，還將PSD的探測(cè)波長(zhǎng)延伸至近紅外(1550nm)。 這種高性能、無(wú)源PSD制備簡(jiǎn)單、功耗低、與硅工藝相兼容，有望在實(shí)際應(yīng)用中脫穎而出(Optica 5,27-31 (2018))。
此外，該界面態(tài)增益機(jī)制也可以應(yīng)用在其他探測(cè)領(lǐng)域，課題組設(shè)計(jì)的基于石墨烯/二氧化硅/輕摻雜硅結(jié)構(gòu)的靜電探測(cè)器能實(shí)現(xiàn)低至5 V的靜電信號(hào)的快速響應(yīng)，相比于商業(yè)化的靜電探測(cè)器極限探測(cè)能力提升了一個(gè)數(shù)量級(jí)(IEEE Electron Device Letters 38，1136-1138 (2017))。以上研究不僅使PSD在弱光、寬波段探測(cè)領(lǐng)域得到實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，也為新型探測(cè)器的開(kāi)發(fā)提供了思路。
上述論文的第一作者為倪振華教授指導(dǎo)的博士生王文輝和郭喜濤，工作受到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家優(yōu)秀青年科學(xué)基金、國(guó)家自然基金面上項(xiàng)目、省研究生科研創(chuàng)新計(jì)劃等項(xiàng)目的資助。
