新研究證明石墨烯成為寬帶高速光電探測器材料的前景

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，NTT公司和美國國家材料科學(xué)研究所（NIMS）共同實(shí)現(xiàn)了石墨烯光電探測器（PD）的世界超快速零偏壓運(yùn)行（220 GHz）。此外，NTT和NIMS的研究首次闡明了石墨烯的光到電（O-E）轉(zhuǎn)換過程。石墨烯對從太赫茲（THz）到紫外線（UV）的各種電磁波均具有高靈敏度和高速電響應(yīng)。因此，它是一種很有前景的光檢測材料，能夠在現(xiàn)有半導(dǎo)體設(shè)備無法工作的波段內(nèi)實(shí)現(xiàn)高速的O-E轉(zhuǎn)換。然而到目前為止，限于傳統(tǒng)的器件結(jié)構(gòu)和測量設(shè)備，實(shí)驗(yàn)所展示的零偏壓運(yùn)行速度被限制在70 GHz。為此，石墨烯光電探測器研究面臨的挑戰(zhàn)是實(shí)現(xiàn)200 GHz的運(yùn)行速度并闡明石墨烯的固有特性，如光到電轉(zhuǎn)換的過程。

在這項(xiàng)研究中，NTT和NIMS通過使用氧化鋅（ZnO）薄膜作為柵極材料來消除器件結(jié)構(gòu)造成的電流延遲，使用片上太赫茲光譜技術(shù)來高速讀出電流，并基于220 GHz的3dB帶寬展示了高速運(yùn)行。該研究還通過比較用不同質(zhì)量的石墨烯光電探測器的特性，發(fā)現(xiàn)了運(yùn)行速度和靈敏度之間的協(xié)調(diào)效應(yīng)。這些發(fā)現(xiàn)將使石墨烯光電探測器能夠根據(jù)其預(yù)期用途進(jìn)行優(yōu)化，例如更注重靈敏度的光學(xué)傳感器或更注重速度的O-E信號轉(zhuǎn)換器。這項(xiàng)開創(chuàng)性的研究于2022年8月25日在線發(fā)表在英國科學(xué)雜志《自然-光子學(xué)》（Nature Photonics）上。

石墨烯光電探測器（PD）示意圖

220 GHz運(yùn)行速度的演示

該研究小組研究了石墨烯的O-E轉(zhuǎn)換，重點(diǎn)是光熱電（PTE）效應(yīng)。該特性能實(shí)現(xiàn)改善功耗和信噪比所需的零偏壓運(yùn)行。此外，研究表明，與傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)所不同的是，電流的響應(yīng)時(shí)間幾乎與光電探測器的大小無關(guān)。根據(jù)載流子密度的不同，從光照射到產(chǎn)生電流的時(shí)間可以有很大變化范圍，從低于100 fs到超過4 ps。

這些結(jié)果展示了石墨烯作為高速寬帶光電探測器材料的潛力。然而，本實(shí)驗(yàn)中的石墨烯提煉自石墨，因而不適合大規(guī)模生產(chǎn)。在未來，NTT的研究人員將評估采用可量產(chǎn)的大面積石墨烯的光電探測器。研究人員一直在積極通過分層堆疊石墨烯和其他二維材料（單或多原子層材料）來創(chuàng)造自然界中不存在的材料。研究人員還將充分利用這項(xiàng)技術(shù)，尋找能夠?qū)崿F(xiàn)更快運(yùn)行的材料。

在藍(lán)寶石襯底和片上太赫茲光譜電路上制造的石墨烯光電探測器（PD）顯微照片

審核編輯：郭婷