弗吉尼亚理工大学Yifei Wang和Vinh X.Ho课题组--基于混合石墨烯的光电探测器的界面光电效应

在室温下从深紫外到近红外区域工作的超快和高灵敏度光电探测器对于分析化学、光学定位、生物医学成像和遥感等许多应用都是必不可少的。对于高性能光电探测器，基于光门控机制的混合胶体量子点/石墨烯光电探测器已得到深入研究。在10⁵到10⁹ A/W的范围内获得了超高灵敏度，但这些配置的主要挑战是毫秒到秒时间尺度上的缓慢操作速度。操纵半导体纳米结构和石墨烯界面处的载流子转移是优化界面光门控效应的关键。在这里，我们通过电子束蒸发直接在石墨烯上生长吸收层，以获得探测器的快速光响应时间。因此，可以弥合高响应性和快速响应时间之间的差距。光电探测器在飞瓦量级的低入射强度下具有 ~2.5 × 10⁶ A/W的高光响应性、~8.5 × 10¹¹Jones 的比探测率、~20ns的快速响应过程以及在100 mV的漏源偏压下为850 ns（响应时间 <1us）。该研究为获得基于石墨烯的具有高响应度和快速响应时间的高性能光电探测器提供了一种方法。

图 1. (a)用于光电检测的石墨烯场效应晶体管器件示意图，显示了源漏、背栅接触以及石墨烯和 n 型硅层。 (b)混合Si/Gr光电探测器的电流-电压特性，有和无照明（λ= 940 nm），室温下VDS = 100 mV。插图说明了混合 Si/Gr 结构的能带示意图。橙色圆圈表示空穴，蓝点表示电子。

图 2. (a) 在940 nm光源的不同照明功率下，作为背栅电压函数的光电流。插图显示了 10.5 fW照明功率下的光电流。(b)在V_BG = 6 V时，光电流作为照明功率的函数。插图将光电探测器的光响应性表示为照明功率的函数。

图3。940nm激光脉冲激励下混合硅/锗光电探测器的时间响应。

图4。在深紫外到近红外区域，混合硅/锗光电探测器的光响应是光子波长的函数。

图5。混合硅/锗光电探测器的噪声等效功率(NEP)和比探测率(D*)与光子波长的函数关系。插图显示了在V_DS= 100mv时硅/锗光电探测器1/f噪声的功率谱密度。

相关科研成果由弗吉尼亚理工大学Yifei Wang和Vinh X.Ho等人于2021发表在Applied  Nano Materials（https://doi.org/10.1021/acsanm.1c01931）上。原文：Interfacial Photogating Effect for Hybrid Graphene-Based Photodetectors。