一种构建面内p-n-p同质结降低石墨烯光电探测器暗电流的有效途径

近日，中科院长春光机所应用光学国家重点实验室李绍娟研究员团队提出了一种构建面内p-n-p同质结降低石墨烯光电探测器暗电流的有效途径。该器件在中红外波段表现出出色的光响应和极低的暗电流。基于石墨烯面内同质p-n-p结的红外光电探测器的实现为石墨烯-硅集成宽带光学器件的发展提供了思路。以上研究工作以《Efficient graphene in-plane homogeneous p-n-p junction based infrared photodetectors with low dark current》为题发表在SCIENCE CHINA上，DOI：10.1007/s11432-020-3179-9。安君儒博士为文章的第一作者。

石墨烯具有很多优异的特性，石墨烯在紫外到太赫兹波段均显示出光吸收，并表现出快速的光响应，并且石墨烯还具有高的载流子迁移率、良好的机械柔韧性及出色的导热性。因为这些优异的性质，基于石墨烯的光电探测器引起了人们的广泛关注。然而由于石墨烯无带隙的性质，石墨烯光电探测器的暗电流通常非常高，造成器件具有低的开关比和高的背景噪声。因此，如何将暗电流降低到较低水平并保持优异的光电检测能力是石墨烯光电检测器实际应用中需要解决的主要障碍。

在这项研究中，石墨烯被转移到具有多个图案化的硅沟槽的SiO2/Si衬底上，并且转移后石墨烯与硅沟槽中的硅衬底直接接触。与硅沟槽直接接触的石墨烯被电子掺杂形成n型石墨烯，而与SiO2直接接触的石墨烯保持p型掺杂。借助这种结构，实现了一种有效的基于石墨烯面内同质p-n-p结的红外光探测器。在这一器件中，光伏效应与光闸效应协同作用。在面内p-n-p结中，光生空穴被接触电极转移并提取，而电子被俘获在n型掺杂石墨烯中，这种光栅压效应进一步引起载流子从硅衬底注入，从而增强器件光响应性。

图1 （f）平面内均质石墨烯p-n-p结的能带示意图。

该石墨烯光电探测器对1064-2200 nm波段的红外光具有明显的光响应，并对周期性光脉冲具有快速响应/恢复并保持良好的稳定性和可重复性。在1064 nm入射光和0.03 μW功率下，该器件最大响应度约为14 mAW-1。并且在4 μm的红外光照射下该器件也表现出自驱动光响应行为。

图2 不同波长下器件的光电响应性能。（a）漏-源极电流与漏-源极电压的关系曲线；（b）对周期性光脉冲的光电流响应；（c）器件的响应度与光功率的关系曲线；（d）在4 μm 波段光照射下该器件的自驱动光响应曲线。

实验表明，该结构可以有效的降低器件的暗电流，在具有两个硅沟槽和三个硅沟槽的SiO2衬底上的石墨烯光电探测器分别具有10-9A和10-13A的超低暗电流，这比纯石墨烯光电晶体管低了近三个和七个数量级，该器件的比探测率可以达到2.87×108cmHz1/2。

图3 基于不同结构的器件光电性质。（a）不同结构器件的暗电流曲线；（b）不同结构器件在不同入射光功率下的光电流曲线。

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