據(jù)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成功開發(fā)了一種石墨烯/硅微米孔陣列異質(zhì)結(jié)光探測器，該探測器實現(xiàn)了從紫外到近紅外光的寬光譜探測。硅微米孔陣列的光捕獲效應增強了探測器在紫外到近紅外的吸收，并且，硅微米孔陣列光滑的表面與石墨烯形成高質(zhì)量異質(zhì)結(jié)，實現(xiàn)了較低的載流子表面復合速率。相關(guān)成果以“基于石墨烯/硅微米孔陣列異質(zhì)結(jié)的高性能近紅外光探測器”為題發(fā)表在《紅外技術(shù)》期刊上。
硅在地殼中含量豐富，具備高載流子遷移率、無毒和長期穩(wěn)定性，比較容易與其他材料形成異質(zhì)結(jié)構(gòu)光探測器，因此，硅基光探測器是當前可見光至近紅外探測研究的主流體系。隨著硅工藝在不斷發(fā)展，商用硅基光探測器性能已在逐漸優(yōu)化。目前商業(yè)化硅光電二極管通常采用高溫擴散或離子注入等工藝制備pn結(jié)或pin結(jié)形成，工藝較為復雜，且所使用設(shè)備較為昂貴，導致器件制備成本較高，制約了其進一步的推廣應用。因此，人們迫切需要開發(fā)低成本硅基光伏器件。
硅微米孔陣列結(jié)構(gòu)是減少了材料成本的一種有效途徑，與平面薄膜和體塊結(jié)構(gòu)相比，硅微納米陣列結(jié)構(gòu)（如硅納米線陣列、硅柱陣列、硅孔陣列、硅納米錐陣列等）具有界面面積大、電荷傳輸快等優(yōu)點。硅微納米陣列的周期性結(jié)構(gòu)可以提高器件的光捕獲能力，增加有效光敏面積，從而提高器件整體吸收，同時微米陣列的大的表面體積比也可延長光激發(fā)載流子的壽命，減少載流子的渡越時間，最終提高了光電器件單位面積上的光電轉(zhuǎn)換效率。
另一方面，傳統(tǒng)的金屬/硅異質(zhì)結(jié)器件存在光伏性能較差，使用壽命短的問題。通過石墨烯和硅半導體材料結(jié)合，構(gòu)成異質(zhì)結(jié)光探測器，入射光可以很容易地穿透石墨烯薄膜，到達異質(zhì)結(jié)，激發(fā)的電子-空穴對被內(nèi)置電場分離，形成光電流。因此，石墨烯已經(jīng)在各種光電器件中顯示出廣闊的應用前景，尤其在光探測中。更重要的是，制備石墨烯/硅光探測器的主要過程可以通過室溫空氣環(huán)境中的溶液轉(zhuǎn)移過程來完成。因此，石墨烯/硅異質(zhì)結(jié)光探測器已經(jīng)成為高性能和低成本光電探測器與光伏應用的候選材料。
基于此，在本項研究中，利用化學氣相沉積法（CVD）制備的大面積石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移到硅微米孔陣列襯底上，構(gòu)建了石墨烯/硅微米孔陣列異質(zhì)結(jié)構(gòu)光探測器。圖1展示了石墨烯/硅微米孔陣列異質(zhì)結(jié)光探測器的制作流程圖。
圖1 構(gòu)造石墨烯/硅微米孔陣列異質(zhì)結(jié)構(gòu)光探測器的步驟示意圖
通過光刻和反應離子刻蝕技術(shù)制備的硅微米孔陣列具有整齊光滑的表面，保證了較低的表面載流子復合速率。同時，孔陣列結(jié)構(gòu)能有效地抑制入射光的反射，增加了有效光照面積，提高了石墨烯/硅異質(zhì)結(jié)的吸收效率，從而提高了器件的光響應度。在入射光強為118.00W/cm2的810nm光照下，光探測器的電流響應度可達到679.50mA/W，探測率為3.40×1012Jones；光強為7.00W/cm2時電壓響應度有1.79×106V/W。
圖2 光電響應測試與分析
此外，該器件能夠檢測高頻脈沖紅外光，具有良好的重復性。該近紅外光探測器可以很容易地在開或關(guān)狀態(tài)之間重復。實驗結(jié)果表明該器件具有20.00/21.30s的升/降響應速度。
圖3 響應速度測試與器件噪聲分析
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(zhuǎn)移到刻蝕好的硅微米孔陣列上，制備出高性能的石墨烯/硅微米孔陣列異質(zhì)結(jié)近紅外光探測器。制備的石墨烯/硅微米孔陣列異質(zhì)結(jié)在零偏壓，810nm光照射下表現(xiàn)出明顯的光伏特性，展示了該器件可以在沒有外部電源的情況下檢測近紅外光的優(yōu)秀性能。相比于商業(yè)化硅光電二極管，石墨烯/硅微米孔陣列光電探測器結(jié)構(gòu)簡單、制備工藝簡便，有望大幅降低制備成本。研究結(jié)果顯示了石墨烯/硅微米孔陣列異質(zhì)結(jié)探測器在未來低成本、穩(wěn)定和高效近紅外光探測應用方面的巨大潛力。
《石墨烯市場和二維材料評估-2022版》
