據麥姆斯咨詢報道，近日，中國電子科技集團公司第四十八研究所的研究人員在《激光與紅外》期刊上發表了題為“高性能石墨烯/硅納米線陣列異質結光探測器”的最新論文，通過簡單的化學氣相沉積法（CVD）方法獲得了石墨烯薄膜，并將其轉移到硅納米線陣列上，研制了一種響應式高靈敏度自驅動近紅外（NIR）光探測器。在入射波長810nm、光強為90μＷ/cm2的光照下，光探測器的光電流響應度可以達到0.56A·W?1，光電壓響應度達1.24×10?V·Ｗ?1，探測率為1.18×1012Jones。更重要的是，該器件具有30/32μs的快速升/降響應速度。

石墨烯（Gr）自2004年發現以來，就引起了全世界極大的關注。由于石墨烯的電學和光電特性良好，如石墨烯基透明電極因其具有比銦錫氧化物（ITO）等傳統透明電極更高的透光率、更好的機械靈活性、更低的薄片電阻和可調諧的帶隙，所以在各種光電器件（如太陽能電池、發光二氧化物、光電探測器、激光器和光電場效應晶體管）中顯示出廣闊的應用前景，特別是光探測中。因此，它在軍事監視、天基預警、工業自動化、遠程控制等方面具有不可思議的價值。

通過石墨烯和硅、鍺等半導體結合，構成異質結光探測器，入射光可以很容易地穿透石墨烯薄膜，到達異質結，激發的電子-空穴對被內置電場隔開，形成光電流。硅納米陣列結構（如納米線或納米孔陣列結構等）與薄膜形式和體塊形式的光電探測器相比，具有界面面積大、電荷傳輸快等優點，從而可通過縮短少數載流子收集電荷的路徑來進一步提高靈敏度。

基于此，在本文中，研究了一種基于硅納米線陣列/石墨烯異質結的高靈敏度近紅外光探測器，并對其電性能與光學特性進行了研究。

器件的制備

首先分別采用化學氣相沉積法制備大面積石墨烯薄膜和金屬輔助化學濕法刻蝕合成了納米線陣列。

為了制備硅納米線陣列/石墨烯異質結構光探測器，首先用原子層沉積（Atomic Layer Deposition，ALD）在ｎ-Si襯底上沉積生長二氧化硅絕緣層，然后用傳統的紫外光刻法在氧化片襯底上定義了一個窗口（0.04×0.04cm2）（電阻率：1～10Ωcm?1），用濕法蝕刻工藝去除窗區內的絕緣層。然后，通過聚甲基丙烯酸甲酯（polymethyl methacrylate， PMMA）輔助轉移技術，將合成的單層石墨烯膜轉移到刻蝕好納米線陣列的硅基片上形成異質結，30℃加熱臺上放置3h，之后將器件放入丙酮中浸泡10min，換丙酮再次浸泡1h，以去除表面PMMA。最后，利用實驗室制備的掩膜版，通過高真空電子束蒸發在二氧化硅層上沉積50nm厚的金作為環形頂電極，將銦鎵（In-Ga）合金附著在硅基板的背面，作為底部電極。

性能測試

采用島津紫外-2550紫外-可見分光光度計測定吸收光譜。電學測量在半導體參數測試系統（Keithley 4200-SCS）上進行，光譜響應在單色儀（LE-SP-M300）上進行。采用不同波長（265、365、450、530、660、730、810、970和1050nm）的激光二極管作為光源，研究光響應。所有光源的功率強度都由功率計（Thorlabs GmbH，PM100D）仔細校準。圖1（a）是展示了納米線陣列/石墨烯異質結構光探測器的制作過程的原理圖，圖1（b）和（c）分別為納米線陣列的截面SEM圖像和頂部SEM圖像，可以看出，硅納米線陣列的長度均勻，約為（3±0.3）μｍ。從圖b中統計的硅納米線陣列的直徑分布可以看出，硅納米線陣列的平均直徑約為（100±10）nm。

圖1 器件制備示意圖及硅納米線表征

圖2（a）描述了黑暗環境下硅納米線陣列/石墨烯異質結構光探測器的I-V特性。該器件在零偏壓下暗電流為2.4×10?11A。顯然，該異質結表現出很好的整流特性，在±3V范圍內的整流比高達6.93×10?，高于此前報道的類似結構的異質結（PdSe2/金字塔硅和平面硅/石墨烯）。

圖2（b）和（c）研究了器件在室溫下810nm近紅外光照射下的光響應特性，硅納米線陣列/石墨烯異質結近紅外光探測器的光響應與光照強度密切相關。圖2（b）和（c）的功率均為0.20～10.1ｍＷ·cm?2。值得注意的是，在高功率照明下，由于載流子數量的增加，零偏置的光電壓和光電流都隨著光功率的增加而單調增加，如圖2（d）所示。為了便于比較不同近紅外探測器的光響應性能，計算了光電流響應度、電壓響應度和外量子效率等關鍵性能指標。經過計算不同功率下的光電流響應度、電壓響應度，發現它們均隨光功率密度的增強而減小，如圖2（e）所示。依據實驗數據計算，在零偏壓，光照強度為0.20ｍＷ·cm?2的810nm近紅外光照射下，最大的光電流響應度、電壓響應度和外量子效率值分別為560.1ｍA·Ｗ?1、1.24×10?V·W?1、85.9％。在810nm的波長下，這樣一個相對較大的光電流響應度值超過石墨烯/硅異質結構（435ｍA·Ｗ?1）。為了深入了解光響應對入射光波長的依賴關系，他們研究了恒定光功率（0.20ｍＷ）下不同波長光照下的光響應，如圖2（f）所示的歸一化的光電流響應圖。光響應先隨著入射光波長的增加而逐漸增加，然后隨著入射光波長的進一步增加而顯著下降，最大光響應出現在850nm左右。

圖2 光電響應測試1

此外，該器件能夠檢測高頻脈沖紅外光，重復性好。圖3（a）繪制了頻率為1kHz和10kHz的810nm照射下的光響應曲線。很明顯，該近紅外光探測器可以很容易地在開或關狀態之間重復。由圖3（b）中頻率為10kHz單個歸一化周期的光響應曲線可知，上升和下降時間分別為30μs和32μs。通過圖3（c）相對平衡（（Vmax-Vmin）/Vmax）與頻率的關系，可以推斷出f3dB帶寬≈10kHz（f3dB帶寬被描述為光響應下降到其峰值的70.7％的頻率。從圖3（d）噪聲譜密度分析可知，納米線陣列/石墨烯近紅外光探測器的單位帶寬（1Hz）噪聲等效電流為1.9×10?1?A·Hz?1/2。由此計算出在810nm光照下的探測率Ｄ*為1.18×1012Jones。

圖3 光電響應測試2

結論

綜上所述，研究人員通過簡單的CVD方法獲得了石墨烯薄膜，并將其轉移到硅納米線陣列上，研制了一種響應式近紅外光探測器。制備的硅納米線陣列/石墨烯異質結在810nｍ光照射下表現出明顯的光伏特性，使得該器件可以不需要外加電壓工作，降低了工作耗能。進一步研究發現，硅納米線陣列/石墨烯異質結基近紅外光探測器的光電流響應度、光電壓響應度和外量子效率高達560.1ｍA·Ｗ?1、1.24×10?V·W?1、85.9％。通過Comsol軟件仿真計算，較好的器件性能可以歸因于納米線陣列的強光陷波效應。

審核編輯：郭婷