波长可调且高性能的石墨烯/半导体光电探测器，覆盖可见光到近红外光范围

《ACS Applied Electronic Materials》：Wavelength-Tunable and High-Performance Graphene/Semiconductor Photodetectors from Visible to Near Infrared Lights

石墨烯/MoS?光探测器通过插入Al?O?隔离层发现偶极子效应诱导费米能级位移机制，实现高响应度（102 A/W）和检测度（1012 Jones），并验证该机制在Si、GaAs、InP等半导体中的普适性。

　　近年来，随着对超薄、高速和宽带光探测器的需求不断增长，二维（2D）材料因其在原子尺度上表现出的优异电学和光学特性而成为研究的热点。这些材料能够在单层厚度下保持其电学和光学性能，使其成为超越硅基器件的有潜力候选材料。然而，金属与二维材料之间的高接触电阻仍然是一个关键瓶颈，这主要由肖特基势垒的形成和费米能级钉扎引起，严重限制了电荷注入和整体器件性能。为了解决这一问题，范德华（vdW）外延技术被提出，它提供了一种高质量、容忍晶格失配的界面生长方法。与传统半导体外延不同，vdW外延允许在没有共价键约束的情况下生长层状材料，从而实现不同晶体结构材料的集成。这项技术不仅能够直接在MoS?表面生长二维多晶金属层，如锑烯，还支持在二维材料表面沉积超薄金属薄膜，具有良好的电导率和高光学透明性。这些特性使vdW生长的半导体/金属薄膜成为下一代电子和光电子器件中低接触电阻电极和透明接触的候选材料。

在电子器件之外，二维材料广泛的电学特性，包括半导体、半金属和绝缘体行为，也引起了光探测器应用的广泛关注。一种有效的策略是将器件内部的功能分离：半金属材料如石墨烯用于提供快速的电荷传输，而半导体材料如MoS?则负责光吸收。长寿命的半导体层和快速移动的石墨烯层相结合，能够产生显著的光电导增益，从而实现高响应度的石墨烯/MoS?混合光探测器。二维材料的可转移性进一步促进了它们与体半导体的集成，为新型器件架构提供了可能性。石墨烯与传统半导体（如硅）的集成已被广泛报道，其中石墨烯通常用作透明电极或垂直结构中的肖特基接触。大多数研究关注此类器件中的垂直电流传输机制，尽管已有文献报道石墨烯/硅光探测器可表现出高响应度，但对于其工作机制的深入理解和扩展到更复杂的结构仍需进一步研究，以推动其在实际应用中的发展。

为了进一步探索这一现象，研究者提出了一种模型，用以解释石墨烯/MoS?异质结构光探测器的工作机制。当光照射在器件上时，MoS?层中的光激发电子会被提取到石墨烯层，这是由于器件施加了正偏压。随后，MoS?层中会形成空穴积累。石墨烯的高迁移率值会进一步增强这一过程。由于石墨烯仅有一层厚度，其内部的载流子数量有限。在这种情况下，MoS?层中的空穴积累将导致石墨烯层的费米能级发生变化。石墨烯通道中的高电流（毫安级别）意味着即使较小的费米能级变化也会导致显著的光电流（微安级别），从而实现高响应度。对于石墨烯/Al?O?/MoS?光探测器，虽然没有从MoS?到石墨烯的载流子传输路径，但光照射下仍会在MoS?层中产生电子-空穴对。当正偏压施加在石墨烯通道上时，MoS?层中会形成电偶极子。随着光照射下偶极子数量的增加，石墨烯通道的费米能级也会受到影响，这与石墨烯/MoS?光探测器的情况类似。因此，即使没有光激发电子的提取过程，石墨烯/Al?O?/MoS?光探测器仍可表现出一定的响应度。此外，石墨烯通道的电流变化时间也显著缩短，与石墨烯/MoS?光探测器相比，其响应时间在50毫秒以上，而石墨烯/Al?O?/MoS?光探测器的响应时间则在9至22毫秒之间。这些结果表明，与单层MoS?相比，体半导体基板中的载流子积累/弛豫过程更快，这归因于体半导体中更高的载流子浓度。

进一步的研究表明，载流子浓度的变化对器件性能有显著影响。为了验证这一点，研究者还制备了另一种器件，其中石墨烯被转移到高掺杂的n型硅基板上（电阻率：0.001–0.005 Ω·cm）。然而，对于该器件没有观察到光响应。这表明，在高掺杂半导体基板上，光照射下形成的偶极子数量有限，因此石墨烯层的费米能级变化不明显，导致器件无响应。研究者通过对比不同载流子浓度的硅基板上的石墨烯/硅光探测器性能，进一步验证了这一现象。结果显示，即使体半导体中的载流子浓度高于单层二维材料，其载流子积累/弛豫过程仍然更快，但光照射下形成的偶极子数量有限，导致石墨烯层的费米能级变化不明显，从而影响器件的响应度。

此外，研究者还探讨了在石墨烯和硅之间插入额外的Al?O?层对器件性能的影响。通过使用原子层沉积（ALD）技术，在n型硅基板上生长20 nm的Al?O?层，随后将单层石墨烯转移到该基板上。结果显示，虽然插入Al?O?层会略微降低响应度，但其响应度仍达到10? A/W以上。这一结果表明，即使在石墨烯和硅之间存在Al?O?层，光激发下形成的偶极子仍然能够影响石墨烯层的导电性，从而实现高响应度。研究者进一步制备了不同Al?O?厚度（10、20和30 nm）的石墨烯/Al?O?/硅光探测器，以探讨其对器件性能的影响。结果显示，随着Al?O?厚度的增加，响应度逐渐下降，而峰值响应度大致与Al?O?厚度的倒数成线性关系。这表明，Al?O?层的电容与偶极子的形成有关，更薄的Al?O?层能够产生更高的响应度。

在实际应用中，石墨烯/半导体异质结构光探测器展现出多种优势。除了高响应度和高探测度外，它们还具有短响应时间，这使得这些器件在高速光探测领域具有应用潜力。此外，通过选择不同带隙的半导体材料（如GaAs和InP），可以实现波长可调的光探测，这为多色光探测提供了可能性。研究者通过将单层石墨烯转移到n型GaAs和InP基板上，分别制备了两种异质结构光探测器。结果显示，这两种器件的响应度分别达到10?–10? A/W，而探测度均超过1012 jones。这些结果表明，石墨烯/半导体异质结构光探测器在实际应用中具有广泛前景，尤其是在需要高响应度和宽波长覆盖的领域。

研究者还探讨了石墨烯层数量对器件性能的影响。通过制备1层、2层和3层石墨烯/硅光探测器，研究者观察到当石墨烯层数从1增加到2时，响应度显著提升，达到250 × 103 A/W。然而，当石墨烯层数从2增加到3时，响应度则下降至10 × 103 A/W。这一现象表明，随着石墨烯层数的增加，其特性逐渐从二维材料向体半导体转变。体半导体的费米能级变化有限，因此即使石墨烯层数增加，其响应度仍会受到限制。这些结果进一步验证了石墨烯/半导体异质结构光探测器的工作机制，即通过光激发偶极子诱导石墨烯层的费米能级变化，从而实现高响应度。

研究者还详细描述了实验方法，包括MoS?薄膜的制备、石墨烯的生长和转移、以及不同厚度Al?O?层的沉积。MoS?薄膜通过RF溅射系统沉积在蓝宝石基板上，随后通过硫化工艺形成单层MoS?。石墨烯则通过化学气相沉积（CVD）系统在铜箔上生长，随后通过PDMS辅助的转移技术转移到MoS?/蓝宝石基板上。为了防止转移过程中残留的聚合物，采用了一种优化的转移工艺。Al?O?层的沉积则通过原子层沉积（ALD）技术完成，以确保其均匀性和良好的覆盖。实验中还采用了多种设备进行性能测试，包括Horiba iHR 320单色仪、Xe/W光源、Keithley 6487和SR830锁相放大器，以及功率计用于校准入射光的波长依赖性功率。这些实验方法确保了研究结果的准确性和可靠性，为后续的理论分析和应用拓展提供了坚实的基础。

综上所述，研究者通过实验和理论分析，揭示了石墨烯/半导体异质结构光探测器的高响应度机制。这一机制不仅适用于石墨烯/MoS?结构，也适用于石墨烯/硅、石墨烯/GaAs和石墨烯/InP结构。通过插入Al?O?层，可以有效分离载流子传输层和光吸收层，从而实现更高的响应度和更短的响应时间。同时，不同带隙的半导体材料为实现波长可调的光探测提供了可能性。这些研究结果表明，石墨烯/半导体异质结构光探测器在实际应用中具有巨大潜力，特别是在需要高响应度、高探测度和宽波长覆盖的领域。未来的研究将进一步探讨不同厚度Al?O?层对器件性能的影响，以及如何优化石墨烯层的数量以实现最佳的器件性能。这些探索将为二维材料在光电子领域的应用提供新的思路和方法。