金屬光柵增強石墨烯寬譜響應光電探測器

摘要：光電探測器在通信、檢測和醫療等領域應用廣泛，隨著航空航天、夜視、遙感、熱成像、汽車互聯和消費電子等行業的發展，人們對超寬帶探測器的需求也越來越迫切。現有的超寬帶探測是使用不同材料、不同探測頻段的多個光電探測器，集成度不高，阻礙了上述應用的發展。因此設計了石墨烯微米條–金屬光柵復合結構的光電探測器，該器件在太赫茲、紅外和可見光波段都可產生光電響應。在可見光范圍內，金屬光柵將探測器的探測靈敏度從1.1 mA/W顯著提高至2.5 mA/W。該研究為基于石墨烯的超寬帶光電探測器的設計提供了新的思路。

關鍵詞：石墨烯微米條；金屬光柵微米條；光致柵控效應；測輻射熱效應

中圖分類號：TN 37 " "文獻標志碼：A

Metal grating enhanced graphene photodetector with wide

spectral response

WANG Lanxia，YU Anqi

（School of Optical-Electrical and Computer Engineering， University of Shanghai for Science and

Technology， Shanghai 200093， China）

Abstract：

Photodetectors are widely used in communication， detection， medical and other fields.With the development of industries such as aerospace， night vision， remote sensing， thermalimaging， automotive interconnection and consumer electronics， the demand for ultra-widebandphotodetectors is increasing. Existing ultrawide band detectors are multiple photodetectors usingdifferent materials and different detection bands， which are poorly integrated and restrict thedevelopment of the above applications. We design a graphene micron strip-metal grating compositestructure photodetector. It provides a photoelectric response in the terahertz， infrared and visiblespectral regions. In the visible region， the metal grating significantly increased the detectionsensitivity from 1.1 mA/W to 2.5 mA/W. This work provides new ideas for the design of graphene-based ultra-wideband photodetectors.

Keywords：

graphene micron strip；metal grating micron strip；photogating effect；bolometereffect

引 言

光電探測器是一種將光信號轉換為電信號的光電器件，被廣泛應用于眾多科學和工業領域，如：航空航天、醫療器械、環境監測、生物傳感等。根據光電探測器所用材料帶隙的不同，它能夠探測紫外（UV）、可見（VIS）、紅外（IR）和太赫茲（THz）波段的光^[1-5]。到目前為止，多種半導體材料被應用于光電檢測，如晶體硅、碳納米管、Ⅲ-Ⅴ族化合物等。微納結構對光進行聚焦和局域增強，能極大提高光與物質的相互作用強度，使低維材料在光電探測器領域的應用更加具有潛力。

在以往的研究中，不同波段的光電探測器用不同的材料去適應工作環境^[6-7]。而超寬帶探測器可打破傳統探測器的空間和模塊數量限制，在同一應用場景下，可用一個探測器代替多個工作于不同頻段的探測器，促進了寬帶響應探測器在更多領域中的應用。如：在夜視領域內，通過融合可見和紅外圖像的方法來支持實時彩色夜視^[8]；在通信領域內，運用離子注入法擴展探測波長范圍，使帶寬更寬，光電性能更強，成本大幅降低^[9]，結合物聯特性，廣泛地應用于消費電子、汽車互聯等產業；在生物醫學檢測中^[10]，應用不同波段電磁波特性，同時實現高效的癌細胞診斷和光熱治療等。超寬帶探測器在眾多領域的需求與應用使它成為了一個研究熱點。

然而，光電探測器的探測帶寬很難覆蓋從太赫茲到可見光的超寬頻帶。一般來說，很難依靠一種響應機制在如此寬的頻率范圍內產生光電響應。因此，近年來，科研人員考慮在不同頻率范圍內利用不同響應機制，以拓寬探測器的響應帶寬。Yuan等^[11]展示了一種h-BN封裝的石墨烯探測器，探究了在異質結構中不同摻雜水平下的光電流響應機制，其中測輻射熱效應表現出47 MHz的響應范圍，室溫下在3.4～12.0 μm的波長范圍內表現出5.1～1.4 mA/W的響應率。Bai等^[12]設計了一種基于GaAs/Al_xGa_1?x"異質結的從近紅外到太赫茲的超寬帶響應器件，其最高響應率可達7.3 A/W。Chen等^[13]研究構建了一種天線輔助的二維Bi₂O₂Se光電探測器，實現了紅外到太赫茲范圍的寬帶光電探測，帶隙和高遷移率之間的良好協調實現了寬光譜檢測。該Bi₂O₂Se光電探測器在1550 nm，0.17 THz和0.029 THz下的寬帶響應率分別為58 A/W，2.7 × 10⁴"V/W和1.9 × 10⁸"V/W。

石墨烯是一種有望實現超寬帶光電探測的二維材料。當入射光的光子能量高于兩倍費米能級時，單層石墨烯呈現出恒定的2.3%的吸收率，在相同材料厚度下，這一吸收遠高于其他材料。然而，單原子層的總吸收較低，難以產生光電導效應。Freitag等^[14]制備了石墨烯微米條探測器，卻未觀測到光電導響應。由此可見，在近紅外/可見光波段，利用其他機制產生光電信號是更為可行的方法。因此，本文結合金屬光柵與石墨烯微米條設計出一種寬頻響應的半導體場效應探測器件，并與無金屬光柵結構的器件進行了對比。使用銀膠背柵對器件進行柵壓調控，對其轉移特性和輸出特性進行了詳細表征。分別用可見520 nm和近紅外1 060 nm的光測量了探測器的響應行為，分析并解釋了器件的探測機理與性能。器件1為無金屬光柵結構，它在光照下發生光致柵控效應，當柵壓為?20 V時，在可見光范圍內響應率達到1.1 mA/W，近紅外波段內響應率為2.3 mA/W。器件2為有金屬光柵結構，它在光照下發生測輻射熱效應，同樣的，可見光下，當柵壓為?15 V時，其響應率達到2.5 mA/W。在可見光波段內，有金屬光柵結構的器件比無金屬光柵結構的器件開關比提高了1.5倍。

1 " "器件結構與制備

1.1 " "器件結構

圖1（a）所示為器件結構示意圖，采用的是常見的中阻硅/二氧化硅襯底，其目的是使器件具有背柵調控性，輕摻雜硅的導電能力差，不符合所需的柵控條件。設計并制備了石墨烯微米條和石墨烯微米條–金屬光柵復合結構的2種器件，圖1（b）所示為器件的光學顯微圖片。石墨烯微米條長150 μm，寬9 μm，石墨烯微米條與光柵橫向重合2 μm。石墨烯微米條之間的距離為L，金屬光柵微納結構橫向寬度為d。根據結構的不同，總共設計了2個器件，分別是：器件1——無金屬光柵結構；器件2——有金屬光柵結構，其中L"= 51 μm，d"= 55 μm。

1.2"器件制備

制備器件采用的是常見的中阻硅襯底，晶向100，電阻率為1～10 Ω·cm、厚度為500 μm的單拋硅片，其上生長300 nm厚的二氧化硅。首先利用紫外光刻和熱蒸發在二氧化硅襯底上生長金屬對準標記（30 nm Ti和100 nm Au）和背柵電極，然后在有對準標記的襯底上濕法轉移CVD生長的單層石墨烯。轉移前石墨烯的遷移率為3000 cm²/（V·s），由于石墨烯載流子受二氧化硅襯底雜質散射的影響，轉移后石墨烯的遷移率會有少許下降。然后進行退火工藝（烘箱內抽真空充惰性氣體氬）清除剩余PMMA膠，去除褶皺，防止石墨烯脫落。接著通過紫外光刻和氧離子刻蝕，將大片石墨烯圖形化為所需要的9 μm寬，200 μm長的條形陣列。在此基礎上利用紫外光刻和磁控濺射生長源漏電極（20 nm Ti和80 nm Au）。磁控濺射生長金屬的方式不如熱蒸發生長的金屬致密性強，但它使用低溫生長，更加有利于對石墨烯的保護。接著利用原子層沉積生長30 nm厚的三氧化二鋁作為氧化層，保護石墨烯以及隔絕金屬光柵與源漏電極。最后用磁控濺射使器件2生長20 nm Ti和80 nm Au作為金屬光柵。

2"器件測試與響應性能計算

將器件置于室溫20 ℃，超凈環境中進行測試。按圖2所示的測試系統連接儀器，使用520 nm的可見光和 1 060 nm的近紅外光照射器件。

3 " "結果分析與討論

光電探測器的物理效應通常分為光電效應和光熱效應。光電效應主要有光電導效應與光生伏特效應。光電導效應是指半導體材料受到光照射，內部生成光生載流子，載流子數顯著增加引起電導率的增加，從而導致電阻減小。光生伏特效應是指光照產生的電子–空穴對被內建電場分開，導致電荷在兩側堆積，從而產生一定方向的電動勢。而光熱效應是指探測器吸收能量后不直接引起電子狀態的改變，而是把吸收的光能變為晶格的熱運動能量，引起溫度的上升，使得與溫度有關的電學性質發生變化。一般物質的聲子能量落于紅外波段。在紅外波段內，聲子–光子相互作用更強，光熱效應也更強烈。

在對器件進行測試時，分別對2個器件用1 060 nm與520 nm的波長進行照射，用Agilent B2912分別對器件測轉移特性曲線和I-t曲線，分析并計算響應率與開關比。

器件1的轉移特性曲線如圖3（a）和（d）所示，源漏偏壓固定在0.01 V下，對襯底施加柵極電壓，明顯看到，器件的電流呈V字型，符合石墨烯的轉移特性曲線。當對器件進行光照時，轉移特性曲線向左發生平移，這說明光照使器件產生額外的正柵壓作用于石墨烯。因此，認為產生這一光電響應的機制為光致柵控效應。在之前的研究中，研究人員發現絕緣層中的缺陷在光照下會被激活，激活后電子進入二維材料溝道，而缺陷處留下正電中心，從而對溝道產生正的等效柵壓，所以會看見轉移特性向左移動^[15]。在圖3（b）和（e）中，柵壓固定為0 V，源漏偏壓仍為0.01 V。當器件受到光照，產生正的光電信號，大約為暗電流的3%。從圖3（c）和（f）可以看出，當柵壓變化時，器件的響應率和開關比都隨柵壓變化。在近紅外下，分別于?20 V和?12 V時達到最大響應率2.3 mA/W和最大開關比9%；在可見光下，分別于?20 V和?15 V時達到最大響應率1.1 mA/W和最大開關比4%。

用同樣的方式對器件2進行測試，如圖4（a）和（d）所示，器件2的轉移特性曲線在加光照后整體向下移動。狄拉克點的左右輕微移動同樣是由光致柵控效應導致的。加光照后，轉移特性曲線向下移動，說明石墨烯的電阻變大，所以考慮其為測輻射熱效應。雖然理想單晶石墨烯的電子–聲子相互作用較弱，但是實驗中使用的CVD石墨烯是多晶，晶粒邊界中電子–聲子相互作用可能較強。此外，從以往的研究中可以看出，石墨烯和兩側介質層界面上的缺陷態也會對石墨烯的電子造成散射，并且隨溫度增加^[16-17]。因此，當器件2的溫度受光照增加后，載流子的散射增加，平均自由程減少，遷移率降低，電導率下降。在柵壓固定為0 V，偏壓為0.01 V下測得的結果見圖4（b）和（e）。當受到光照后，器件產生負的光響應電流，在可見光下其大約為暗電流的0.3%；在近紅外光下，該光電流約為0.015 μA，為暗電流的0.24%。而器件1在紅外光下的光電流為0.003 μA，僅為暗電流的0.06%。從圖4（c）和（f）中可以看到，柵壓變化時，器件的響應率和開關比也隨柵壓變化。可見光下，在柵壓為?13 V左右時，響應率和開關比都達到最大，分別為2.5 mA/W和10%，遠超器件1。而在2013年，Freitag等^[14]提出的石墨烯條結構的器件在690 nm可見光和1 V偏置電壓下，響應率只達到了0.25 mA/W，響應效率主要由光伏和光誘導的熱效應主導。而在本文中，有金屬光柵結構的器件在0.1 V下測得的響應率為2.5 mA/W，比無金屬光柵結構的器件響應率高出9倍。該器件響應機制為測輻射熱效應，響應率隨著偏置電壓線性變化，偏置電壓越大，響應率越大。

與器件1相比較，器件2的光電響應機制完全不同，其差別應該源自金屬光柵。當入射光照射在器件上，能量被金屬吸收，金屬溫度升高，從而加熱與之直接接觸的絕緣層（25 nm Al₂O₃材料）及其下方的石墨烯，增強絕緣層/石墨烯界面和石墨烯晶格對載流子的散射，導致光電流減小，這屬于測輻射熱效應。所以，金屬光柵結構改變了器件的探測機理，由無金屬光柵結構的光致柵控效應變為測輻射熱效應，從而改變了器件的響應率。同時，由于石墨烯晶格對載流子的散射增強，器件的響應時間也達到0.1 s 量級。由于金屬增加了器件對入射光的吸收，因此相比器件1，器件2的開關比增強了1.5倍。之前在太赫茲波段對器件的測試如圖5^[18]所示，其中圖5（a）所示為在0.04 THz照明，0 V柵極電壓和0 V源漏極偏置電壓下，響應電流隨時間的變化；圖5（b）～（d）所示分別為0.12 THz，0.3 THz和0.6 THz光照下，響應率隨柵極電壓的變化；圖5（e）～（h）所示分別為0.04 THz，0.12 THz，0.3 THz和0.6 THz光照下，器件的歸一化開/關比（歸一化為功率密度）隨柵極電壓的變化。有金屬光柵結構的器件（Sample 4）在0.6 THz時，最大響應率可超過400 mA/W，最小噪聲等效功率約為700 pW/Hz^1/2。無金屬光柵結構的兩個器件（Sample 1、Sample 3）分別只在0.12 THz與0.3 THz下有響應，在 0.6 THz下無響應。在太赫茲頻率中，入射太赫茲波會在石墨烯中激發等離激元，并且金屬光柵與石墨烯等離激元的相互作用使得等離激元的吸收率和帶寬增加，產生等離激元自整流和等離激元輔助的光熱電效應，并由此產生光電響應。因此，本研究設計的器件可以在太赫茲和近紅外/可見光波段中，依靠不同的光電響應機制，產生超寬帶的光電響應。值得指出的是，如果將金屬光柵做成非對稱設計，并且增加金屬納米結構，不僅可以增強太赫茲波段的光熱電響應，也可以在近紅外/可見光波段中增強器件對可見/近紅外的量子效率，并且利用產生的光熱電效應產生光電信號。

4 " "結 論

本文成功制備了中阻硅/二氧化硅/石墨烯微米條/三氧化二鋁與中阻硅/二氧化硅/石墨烯微米條/三氧化二鋁/金屬微米條結構2個器件，制備過程中涉及了濕法轉移石墨烯、氧離子刻蝕、原子層沉積等半導體工藝。使用石墨烯為基礎材料可在寬頻范圍內發生響應，通過銀膠背柵調控器件的費米能級，提高器件的響應。無金屬微米條結構的器件在三氧化二鋁中存在缺陷，發生光致柵控效應，在可見光范圍內產生1.1 mA/W的響應率，而且在紅外波段也有2.3 mA/W的響應率。同樣的，對于可見與近紅外光，有金屬微米條結構的器件也發生響應，而且響應率達到2.5 mA/W，比無金屬微米條的探測器提高約2.3倍。

參考文獻：

[1]HASAN T， SUN Z P， WANG F Q， et al. Nanotube-polymer composites for ultrafast photonics[J]. Advanced Materials， 2009， 21（38/39）： 3874 – 3899.

[2]SUN Z P， POPA D， HASAN T， et al. A stable， wideband tunable， near transform- limited， graphene-mode-locked， ultrafast laser[J]. Nano Research， 2010， 3（9）： 653 – 660.

[3]SUN Z P， HASAN T， TORRISI F， et al. Graphene mode-locked ultrafast laser[J]. ACS Nano， 2010， 4（2）： 803 – 810.

[4]POPA D， SUN Z， HASAN T， et al. Graphene Q-switched， tunable fiber laser[J]. Applied Physics Letters， 2011， 98（7）： 073106.

[5]SUN Z， HASAN T， FERRARI A C. Ultrafast lasers mode-locked by nanotubes and graphene[J]. Physica E：Low-dimensional Systems and Nanostructures， 2012， 44（6）： 1082 – 1091.

[6]FANG J Z， ZHOU Z Q， XIAO M Q， et al. Recent advances in low‐dimensional semiconductor nanomaterials and their applications in high‐performance photodetectors[J]. InfoMat， 2020， 2（2）： 291 – 317.

[7]LONG M S， WANG P， FANG H H， et al. Progress， challenges， and opportunities for 2D material based photodetectors[J]. Advanced Functional Materials， 2019， 29（19）： 1803807.

[8]WAXMAN A M， GOVE A N， FAY D A， et al. Color night vision： opponent processing in the fusion of visible and IR imagery[J]. Neural Networks， 1997， 10（1）： 1 – 6.

[9]GEIS M W， SPECTOR S J， GREIN M E， et al. CMOS-compatible all-Si high-speed waveguide photodiodes with high responsivity in near-infrared communication band[J]. IEEE Photonics Technology Letters， 2007， 19（3）： 152 – 154.

[10]HEIN M A. Ultra-wideband radar sensors for"biomedical diagnostics and imaging[C]//Proceedings of 2012 IEEE International Conference on Ultra-Wideband. Syracuse： IEEE， 2012： 486 ? 490.

[11]YUAN S F， YU R W， MA C， et al. Room temperature graphene mid-infrared bolometer with a broad operational wavelength range[J]. ACS Photonics， 2020， 7（5）： 1206 – 1215.

[12]BAI P， LI X H， YANG N， et al. Broadband and photovoltaic THz/IR response in the GaAs-based ratchet photodetector[J]. Science Advances， 2022， 8（21）： eabn2031.

[13]CHEN Y F， MA W L， TAN C W， et al. Broadband Bi₂O₂Se photodetectors from infrared to terahertz[J]. Advanced Functional Materials， 2021， 31（14）： 2009554.

[14]FREITAG M， LOW T， XIA F N， et al. Photoconductivity of biased graphene[J]. Nature Photonics， 2013， 7（1）： 53 – 59.

[15]XU M J， XU T F， YU A Q， et al. Optoelectronic synapses based on photo‐induced doping in MoS₂/h‐BN field‐effect transistors[J]. Advanced Optical Materials， 2021， 9（20）： 2100937.

[16]TIELROOIJ K J， MASSICOTTE M， PIATKOWSKI L， et al. Hot-carrier photocurrent effects at graphene–metal interfaces[J]. Journal of Physics： Condensed Matter， 2015， 27（16）： 164207.

[17]SONG J C W， LEVITOV L S. Energy flows in graphene： hot carrier dynamics and cooling[J]. Journal of Physics：Condensed Matter， 2015， 27（16）： 164201.

[18]YU A Q， YANG Z Y， CAI M， et al. Graphene plasmons-enhanced terahertz response assisted by metallic gratings[J]. Nanophotonics， 2022， 11（21）： 4737 – 4745.