【重點摘要】

這項研究由浙江大學林時勝教授團隊等人發(fā)表。

• 制作了石墨烯/GaAs異質(zhì)結(jié)構(gòu)光檢測器

• 添加銀納米顆粒以進行等離子增強

• 實現(xiàn)超高（210 mA/W）、寬頻（325-980 nm）的響應度和探測度

• 從納米粒子等離子體重疊載流子分離區(qū)域進行增強

• 可用于色彩檢測等應用的可見光到近紅外的敏感度理想

• 協(xié)同石墨烯/GaAs/等離子體整合實現(xiàn)性能

【研究背景】

石墨烯展現(xiàn)出優(yōu)異的寬頻光檢測光電特性，但基于石墨烯的光檢測器的響應度和探測度受限。將石墨烯與半導體作為異質(zhì)結(jié)構(gòu)整合可以增強性能，但半導體的能隙限制使先前的展示僅適用于狹窄光譜范圍，不適用于對敏感色彩檢測要求較高的應用。GaAs是克服這些限制的理想候選者，其直接的1.42電子伏特能隙和高遷移率使其能夠?qū)崿F(xiàn)從可見光到近紅外的高性能光檢測。此外，石墨烯/GaAs界面上光產(chǎn)生載流子的超快分離為從局部表面等離子共振中獲得顯著增強提供了潛在可能性。本研究實現(xiàn)了一種等離子增強的石墨烯/GaAs異質(zhì)結(jié)構(gòu)光檢測器，其響應度、探測度和325-980 nm范圍內(nèi)的寬頻響應度，呈現(xiàn)了現(xiàn)有光檢測器無法匹敵的靈敏度。

【研究結(jié)果】

光響應度和探測度

• 在405nm波長下，銀納米顆粒使光響應度提高了38%，達到210mA/W，探測度提高了202%，達到2.98×10^13 Jones。

• 這種探測度超過先前基于石墨烯的光檢測器2至3個數(shù)量級。

• 提升效果覆蓋了從325nm到980nm的整個測試光譜范圍。

提升的光譜依賴性

• 在較短波長處表現(xiàn)出更大的增強，與銀納米顆粒等離子共振峰相匹配。

• 顯示提升來自表面等離子共振。

載流子壽命和EQE分析

• 更快的瞬態(tài)PL衰減（1.65ns對比1.97ns）表明銀納米顆粒將光吸收局部化在GaAs表面附近。

• 從300至1000nm的增加EQE與等離子增強相符。

• 以上確認了表面等離子體能夠在異質(zhì)界面上更有效地分離載流子。

光學模擬

• 模擬顯示銀納米顆粒周圍和延伸至GaAs的近場集中。

• 與石墨烯/GaAs肖特基接面和GaAs光吸收深度重疊。

• 解釋了這種異質(zhì)系統(tǒng)中極為寬頻提升的來源。

【研究方法】

• 作者將CVD生長的石墨烯轉(zhuǎn)移到n型GaAs基板上，制作了石墨烯/GaAs異質(zhì)結(jié)構(gòu)光檢測器。

• 使用自旋涂布技術(shù)將銀納米顆粒（直徑100nm）涂覆到石墨烯表面，利用表面等離子共振提升器件性能。

• 在不同照射波長（325-980nm）下，以自供電模式測量了光電流、響應度和探測度。

• 進行了瞬態(tài)PL衰減和EQE測量，以研究性能提升機制。

【結(jié)論】

石墨烯與GaAs的協(xié)同作用通過石墨烯/GaAs接面耗盡區(qū)域、表面等離子近場和GaAs吸收深度的復雜重疊，帶來了顯著的寬頻增強。這種增強機制特別適用于石墨烯/直接帶隙半導體異質(zhì)結(jié)構(gòu)，例如石墨烯/GaAs。由此產(chǎn)生的增強效應提高了響應度、探測度和寬廣的光譜范圍，使其成為一款出色的光檢測器，特別適用于需要敏感彩色檢測的應用，比如CCD成像。

隨著5G和移動技術(shù)的進步推動先進光電感應器件融入日常生活，挑戰(zhàn)在于感光區(qū)域的縮小。然而，這種趨勢要求這些先進光檢測器具有更出色的光感應性能，增加了準確測量量子效率的難度。傳統(tǒng)方法在波長分散引起的焦點位移方面存在困難，使得在微米級活躍區(qū)域內(nèi)精確捕捉全光譜量子效率曲線變得困難。

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