东南大学物理学院倪振华课题组在石墨烯光电器件研究中取得新进展

发布者:李震发布时间:2018-01-10浏览次数:918

近日,东南大学物理学院倪振华教授课题组在石墨烯光电器件研究中取得一系列重要进展,该课题组提出了一种新颖的界面态光电增益机制(Interfacial Amplification Mechanism),设计并实现了几种高性能石墨烯光探测器,相关成果陆续发表在光学领域权威期刊Light: Science & Applications(2017)(影响因子:14.098),Optica(2016)(2018)(影响因子:7.727)和电气与电子工程协会(IEEE Electron Device Letters(2017))刊物上。

探测器在各行各业都有着广泛的应用。其中,位置灵敏探测器(Position Sensitive Detector,PSD)是一种基于横向光电效应的光探测器,在位置测量、形貌检测、光学校准、激光制导等领域发挥着重要的作用。目前商用的PSD普遍基于硅(Si)材料的PN结或PIN结构,Si材料较低的光响应度(<1A/W)导致其极限探测光功率在微瓦(W)级别及以上,且Si材料的禁带宽度(~1.1eV)使其只能对小于1.1m的光实现响应,严重限制了其在弱光及宽波段位置探测中的应用。

倪振华课题组提出了全新的界面态光增益机制,构建了石墨烯/二氧化硅/轻掺杂硅这一器件结构,利用轻掺杂Si中较长的载流子寿命和石墨烯的超高载流子迁移率,获得了约10的四次方的光电导增益,实现了弱光的快速、高灵敏探测,器件响应度达到1000A/W,响应时间低至400ns(Optica 3, 1066-1070 (2016))。进一步,课题组利用该界面态光增益机制以及载流子的横向扩散效应, 设计了基于石墨烯的新型PSD,实现了纳瓦(nW)量级微弱光的快速位置探测,将常规Si基PSD的极限探测功率提升了近3个数量级,且具有小于1m的位置分辨率,并展示了一维和二维位置传感功能(Light: Science & Applications 6, e17113 (2017))。

为了实现器件在大面积位置探测中的应用,课题组还设计了基于CVD石墨烯-Si肖特基结的无源PSD。该探测器有效工作尺寸达到了8mm x 8mm,且表现出与入射光形状和功率无关的线性位置灵敏特性(非线性度只有3%),在可见光波段极限探测功率低至17 nW。借助石墨烯的宽波段光吸收效应,还将PSD的探测波长延伸至近红外(1550nm)。 这种高性能、无源PSD制备简单、功耗低、与硅工艺相兼容,有望在实际应用中脱颖而出(Optica 5,27-31 (2018))。

此外,该界面态增益机制也可以应用在其他探测领域,课题组设计的基于石墨烯/二氧化硅/轻掺杂硅结构的静电探测器能实现低至5 V的静电信号的快速响应,相比于商业化的静电探测器极限探测能力提升了一个数量级(IEEE Electron Device Letters 38, 1136-1138 (2017))。以上研究不仅使PSD在弱光、宽波段探测领域得到实质性进展,也为新型探测器的开发提供了思路。

上述论文的第一作者为倪振华教授指导的博士生王文辉和郭喜涛,工作受到国家重点研发计划、国家优秀青年科学基金、国家自然基金面上项目、省研究生科研创新计划等项目的资助。(物理学院)


责任编辑:翟梦杰  审核:李小男

  


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