【前沿技术】NTT研究证明石墨烯成为高速光电探测器材料的前景

来源：《半导体芯科技》杂志10/11月刊

日本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)的超快速零偏压运行(220GHz)。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70GHz。为此，石墨烯光电探测器研究面临的挑战是实现200GHz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220GHz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。

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100fs到超过4ps。

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。

审核编辑：汤梓红