【儀表儀表網 儀表上游】近日，東南大學物理學院倪振華教授課題組在石墨烯光電器件研究中取得一系列重要進展，該課題組提出了一種新穎的界面態光電增益機制(Interfacial Amplification Mechanism)，設計并實現了幾種高性能石墨烯光探測器，相關成果陸續發表在光學領域期刊Light: Science & Applications(2017)(影響因子：14.098)，Optica(2016)(2018)(影響因子：7.727)和電氣與電子工程協會(IEEE Electron Device Letters(2017))刊物上。
 

 

　　探測器在各行各業都有著廣泛的應用。其中，位置靈敏探測器(Position Sensitive Detector，PSD)是一種基于橫向光電效應的光探測器，在位置測量、形貌檢測、光學校準、激光制導等領域發揮著重要的作用。目前商用的PSD普遍基于硅(Si)材料的PN結或PIN結構，Si材料較低的光響應度(<1A/W)導致其極限探測光功率在微瓦(µW)級別及以上，且Si材料的禁帶寬度(~1.1eV)使其只能對小于1.1µm的光實現響應，嚴重限制了其在弱光及寬波段位置探測中的應用。
 

　　倪振華課題組提出了全新的界面態光增益機制，構建了石墨烯/二氧化硅/輕摻雜硅這一器件結構，利用輕摻雜Si中較長的載流子壽命和石墨烯的超高載流子遷移率，獲得了約10的四次方的光電導增益，實現了弱光的快速、高靈敏探測，器件響應度達到1000A/W，響應時間低至400ns(Optica 3， 1066-1070 (2016))。進一步，課題組利用該界面態光增益機制以及載流子的橫向擴散效應， 設計了基于石墨烯的新型PSD，實現了納瓦(nW)量級微弱光的快速位置探測，將常規Si基PSD的極限探測功率提升了近3個數量級，且具有小于1µm的位置分辨率，并展示了一維和二維位置傳感功能(Light: Science & Applications 6，e17113 (2017))。
 

　　為了實現器件在大面積位置探測中的應用，課題組還設計了基于CVD石墨烯-Si肖特基結的無源PSD。該探測器有效工作尺寸達到了8mm x 8mm，且表現出與入射光形狀和功率無關的線性位置靈敏特性(非線性度只有3%)，在可見光波段極限探測功率低至17 nW。借助石墨烯的寬波段光吸收效應，還將PSD的探測波長延伸至近紅外(1550nm)。 這種高性能、無源PSD制備簡單、功耗低、與硅工藝相兼容，有望在實際應用中脫穎而出(Optica 5,27-31 (2018))。
 

　　此外，該界面態增益機制也可以應用在其他探測領域，課題組設計的基于石墨烯/二氧化硅/輕摻雜硅結構的靜電探測器能實現低至5 V的靜電信號的快速響應，相比于商業化的靜電探測器極限探測能力提升了一個數量級(IEEE Electron Device Letters 38，1136-1138 (2017))。以上研究不僅使PSD在弱光、寬波段探測領域得到實質性進展，也為新型探測器的開發提供了思路。
 

　　上述論文的作者為倪振華教授指導的博士生王文輝和郭喜濤，工作受到國家重點研發計劃、國家青年科學基金、國家自然基金面上項目、省研究生科研創新計劃等項目的資助。
 

　　(原文標題：東南大學物理學院倪振華課題組在石墨烯光電器件研究中取得新進展)