如何利用纳米晶体石墨实现高性能宽带红外探测呢？

从近红外（NIR）到短波红外（SWIR）光谱的光电探测对于许多应用都非常重要。近年来，研究人员正在努力探索新兴拓扑狄拉克半金属（Dirac semimetal）材料在宽带光电探测方面的潜力。

据麦姆斯咨询报道，近日，德国卡尔斯鲁厄理工学院（Karlsruhe Institute of Technology）的科研团队在Advanced Sensor Research期刊上发表了以“Enhanced Broadband Photodetection with Geometry and Interface Engineered Nanocrystalline Graphite”为主题的论文。该论文的第一作者为Devang Parmar，通讯作者为Ralph Krupke。

这项研究探索了利用纳米晶体石墨（NCG）在悬浮、窄缩结构中进行光电探测，以提高其光电探测性能。研究人员在悬浮和衬底支撑两种NCG器件中都制备了领结形（bowtie）收缩结构，以实现精确比较。通过利用电场集中和热隔离，与缺少这种收缩结构的衬底支撑NCG器件相比，悬浮窄缩结构器件的测热辐射光响应提升了两个数量级。在整个工作中，所提出的器件保持了从近红外到短波红外光谱的稳定光响应，同时通过增加NCG层厚度降低了工作电压。

这项研究中的光电探测器采用两种不同的配置制造，即具有领结形窄缩结构的悬浮和支撑的NCG器件。为了便于准确比较，研究人员在相同SiO2/Si衬底上共制备了四组悬浮和等量支撑的NCG光电探测器，如图1a（光学显微镜图）和图1b（透视图）所示。比较悬浮与支撑器件，悬浮NCG结构的拉曼（Raman）信号强度明显高于支撑NCG结构，这是因为拉曼散射光优先辐射到光学致密的SiO2/Si衬底介质中。图2a显示了衬底支撑和悬浮器件的电阻R与施加偏置电压V的关系。

图1 NCG器件的微观表征

图2 NCG器件的电学和拉曼特性

简单来讲，通过将宽带超连续激光源发出的光送入声光可调滤波器（AOTF），可以产生1100 nm ~ 2100 nm的稳定功率谱。每个波长焦点的微调是通过二维短波红外相机最小化激光光斑的调整实现的。通过这种焦点校正，研究人员对每个波长的目标区域进行了连续光电流扫描。光电流信号由可调偏置的低噪声电流前置放大器（SR570）放大，光电流信号的幅值和相位由锁相放大器记录。研究人员还讨论了具有悬浮收缩结构器件的测量结果（如图4），并将其与具有衬底支撑的器件进行了比较（如图3）。

图3 衬底支撑收缩器件的扫描光电流成像

图4 悬浮收缩器件的扫描光电流成像

在暗电流测量和测热辐射光电流测量中，与暗电流方向相同的光致电流流动产生零相位信号，而相反方向的光电流可产生180°相位信号。因此，研究人员可以通过相位图直接推断出光电流的方向，如图5所示。

图5 利用相敏测量确定光电流

最后，研究人员根据图3和图4中心的测热辐射光电流来量化器件的响应率。对其光电流响应性和光谱进行了分析，结果如图6所示。

图6 光电流响应率和光谱分析

综上所述，这项研究使用NCG作为光吸收材料的好处在于，其厚度可以在晶圆尺度上调整，以实现在近红外到短波红外波段的稳定吸收。此外，该材料与CMOS工艺相兼容，可以通过干法和湿法蚀刻工艺横向成形并独立制备。这样便能够制备具有厚度可调吸收率的独立式领结形收缩结构，并且与衬底支撑器件相比，由于悬浮收缩器件的热化程度降低了一个数量级，因此器件的响应率和探测率得到了显著提升。未来，通过晶粒尺寸和晶界工程来降低材料的电阻率，以及通过在空气间隙底部添加反射涂层来进一步增加光吸收，所提出器件的性能有望得到进一步提升。

审核编辑：刘清