NTT实现石墨烯光电探测器的世界超快速零偏压运行

新研究证明石墨烯成为宽带高速光电探测器材料的前景

据麦姆斯咨询报道，近日，NTT公司和美国国家材料科学研究所（NIMS）共同实现了石墨烯光电探测器（PD）的世界超快速零偏压运行（220 GHz）。此外，NTT和NIMS的研究首次阐明了石墨烯的光到电（O-E）转换过程。石墨烯对从太赫兹（THz）到紫外线（UV）的各种电磁波均具有高灵敏度和高速电响应。因此，它是一种很有前景的光检测材料，能够在现有半导体设备无法工作的波段内实现高速的O-E转换。然而到目前为止，限于传统的器件结构和测量设备，实验所展示的零偏压运行速度被限制在70 GHz。为此，石墨烯光电探测器研究面临的挑战是实现200 GHz的运行速度并阐明石墨烯的固有特性，如光到电转换的过程。

在这项研究中，NTT和NIMS通过使用氧化锌（ZnO）薄膜作为栅极材料来消除器件结构造成的电流延迟，使用片上太赫兹光谱技术来高速读出电流，并基于220 GHz的3dB带宽展示了高速运行。该研究还通过比较用不同质量的石墨烯光电探测器的特性，发现了运行速度和灵敏度之间的协调效应。这些发现将使石墨烯光电探测器能够根据其预期用途进行优化，例如更注重灵敏度的光学传感器或更注重速度的O-E信号转换器。这项开创性的研究于2022年8月25日在线发表在英国科学杂志《自然-光子学》（Nature Photonics）上。

石墨烯光电探测器（PD）示意图

220 GHz运行速度的演示

该研究小组研究了石墨烯的O-E转换，重点是光热电（PTE）效应。该特性能实现改善功耗和信噪比所需的零偏压运行。此外，研究表明，与传统认识所不同的是，电流的响应时间几乎与光电探测器的大小无关。根据载流子密度的不同，从光照射到产生电流的时间可以有很大变化范围，从低于100 fs到超过4 ps。

这些结果展示了石墨烯作为高速宽带光电探测器材料的潜力。然而，本实验中的石墨烯提炼自石墨，因而不适合大规模生产。在未来，NTT的研究人员将评估采用可量产的大面积石墨烯的光电探测器。研究人员一直在积极通过分层堆叠石墨烯和其他二维材料（单或多原子层材料）来创造自然界中不存在的材料。研究人员还将充分利用这项技术，寻找能够实现更快运行的材料。

在蓝宝石衬底和片上太赫兹光谱电路上制造的石墨烯光电探测器（PD）显微照片

审核编辑：郭婷