石墨烯纳米带器件中光探测器响应率的动态控制

摘要

石墨烯因其超宽带光吸收和高载流子迁移率被证明是光电子和光探测器件的有前景材料。然而，其与光电子系统的集成受限于零带隙和缺乏增益机制。本文演示了一种基于具有可观带隙的石墨烯纳米带（GNRs）的新型光探测器。利用SiO₂与轻掺杂硅界面处的捕获电荷，获得了高达22,400的超高增益。器件展现出增强的光响应率（~800 AW⁻¹）同时响应速度仍快（高达10 μs）。该光响应率比以往石墨烯基光探测器高约两个数量级。光探测器通过源漏偏压和背栅电压表现出宽范围可调性。本工作为光探测器关键挑战提供了解决方案，并为可通过电场外部操控、具备快速响应和高灵敏度的实用石墨烯光探测器指明了路径。

引言

石墨烯作为二维（2D）层状材料，在电渗析、电池、纳滤、催化、电磁干扰和光电子等领域发挥重要作用。显著的是，石墨烯因其新颖的光电性能受到广泛关注，如高载流子迁移率、零带隙、可调费米能级。因此石墨烯被视为光电子应用的吸引人材料。然而，单层石墨烯因厚度极薄导致低吸收率（~2.3%）仍是关键挑战。另一方面，零带隙特性严重限制光电子应用，导致光生载流子寿命极短（~ps）和快速电子-空穴复合。结果，原始石墨烯光探测器响应率进一步提升仍具挑战，将电子和空穴分离以产生高效光电流至关重要。

为克服这些挑战，探索了多种技术并相应提升了基于石墨烯的光探测器光响应率。光栅效应常见于基于低维材料及其混合结构的光探测器中，对高性能光探测器起关键作用。基于MoTe₂和MoS₂利用光栅效应的光探测器已有报道，基于石墨烯利用光栅效应的高性能光探测器也已实现。证明将石墨烯与PbS量子点结合是增强光吸收和在石墨烯光探测器中实现超高增益的有效途径。此外，异质结构如石墨烯-Ta₂O₅-石墨烯中电子-空穴对可通过量子隧穿效应分离，大幅增强光响应率和增益。但此类混合结构光探测器响应时间因PbS量子点或Ta₂O₅隧穿势垒中载流子长捕获时间而严重增加。因此，迫切需要基于石墨烯的光探测器在响应率、响应时间和光谱响应上同时实现优异性能。

本文提出基于20 nm宽石墨烯纳米带的光探测器，演示其光响应率（高达800 AW⁻¹）和快速响应速度（~10 μs）。这种高性能主要归因于GNRs中的可观带隙，经Si/SiO₂界面光栅效应增强。通过能带图解释探测器物理机制。此外，基于GNRs的光探测器可通过源漏和背栅电压调控。观察到的高性能为开发高响应率和超快石墨烯光探测器铺平道路。

实验方法

采用3M胶带微机械剥离法将石墨烯片从石墨块（ZYA级，SPI Supplies）剥离到覆盖300 nm SiO₂的Si衬底上。利用反应离子刻蚀（RIE，PE-3A）和电子束光刻（EBL，Raith BV EBPG5150）制备宽度20 nm的石墨烯纳米带。随后用光学显微镜和拉曼光谱（WITec Alpha 300R）表征SiO₂介质上的单层石墨烯和石墨烯纳米带。采用标准光刻和电子束蒸发Ti/Au（20 nm/80 nm）制备源漏电极。共制备8个器件（16条GNRs），其中5个性能优异。所有测量通过自制系统进行，包含激光光源、光学斩波器、四探针台和半导体参数分析仪。采用低掺杂硅（P型10–20 Ω·cm）衬底增强光栅效应。室温下用波长约632 nm的Ti:蓝宝石可见激光在6.25 mm²区域产生激光脉冲。入射光频率用光学斩波器在5–50000 Hz范围调制。入射激光功率可调0.34–5 mW。图中所示数据（包括电流）由半导体参数分析仪（Agilent B1500A）在有无光照下获得。所有光响应测量在环境条件下进行。

结果与讨论

GNRs有望成为光探测理想载体。我们制备的GNR光探测器由源漏电极组成，位于Si/SiO₂衬底上，轻掺杂硅晶片作为背栅，如图1a示意。为兼顾高迁移率和足够大带隙，GNR宽度选为适度的20 nm。GNR完整结构见扫描电镜图像（图1b），GNR长度为2 μm。不同于传统光探测器，采用轻掺杂Si作为衬底因其载流子寿命远长于重掺杂Si。

电学表征重复进行，I-V_SD关系见图1c。-10 V至10 V背栅电压下曲线非线性且不对称，表明存在内部电场，可能源于制造诱导缺陷或电极接肖特基势垒。内部电场对GNR光探测器光电流有非显著影响，后文将说明。插图为暗态和光照态（10 Hz激光脉冲）下I-V特性对比，显示敏感的光开关可调性。显然I-V曲线随V_G变化。为进一步弄清V_G对GNR通道电荷输运特性影响，室温下记录暗态下的传输特性（图1d）。V_SD=10 mV下测得的I_D-V_G曲线显示器件表现出典型石墨烯基光探测器行为，GNRs作为p型通道表现出20 V偏移。

对典型光电子系统，光探测器响应速度（以输出从脉冲峰值10%（90%）上升（下降）到90%（10%）所需总时间表征）决定光探测系统运行速度和信息容量。为研究器件极限响应时间，施加40 Hz、400 Hz、50000 Hz不同脉冲频率的输入光信号。图2b-d显示对应的时间分辨总光电流，直观反映制备光探测器可高效、重复性好地开关。当激光频率调至50000 Hz，上升时间测得为10 μs。我们认为器件有望在>50000 Hz下工作，因测量设备限制确切响应速度不清。GNR光探测器运行远快于大多数基于石墨烯和其他2D TMDs的光探测器。快速光电流开关归因于此宽度GNRs的超高载流子迁移率和强外部电场。

除快速响应速度外，高响应率和增强增益对光探测器应用不可或缺。因此在室温下对全器件施光，进一步研究无源漏偏压和背栅电压下GNR光探测器光响应。图2a显示无偏压下开关光调制的时间依赖光电流测量。光照下观测光电流275 nA（I_illumination=293 nA，I_dark=18 nA），表明高光响应率R=17.2 AW⁻¹和高增益G=1465，按以下公式计算：R = I_P / (S_G/S_L · P)，G = (I_P/e) / [(S_G/S_L · P · 2.3%) / hν] (ν=c/λ_in)。其中I_P（275 nA）为光电流，S_L（6.25 mm²）和S_G（2 μm×10 μm）分别为激光实际面积和GNR面积，P（5 mW）为入射激光功率，λ_in（532 nm）为波长。探究GNR光探测器光电流产生机制以阐明高性能至关重要。基于二维材料的光探测器主要有两种光电流产生机制：光导效应（PC）和光伏效应（PV）。

无源漏偏压时，PV负责光电流产生，因在GNRs与电极间形成两个内建电场。因制造缺陷两电场大小不同。光到达Au-GNRs界面区域时，产生光生电子-空穴对并被内建场分离，对光电流产生显著贡献。施加源漏偏压时，Au-GNRs界面两内建电场对光电流产生作用微弱。因此PC在施加源漏偏压时对光电流产生起最关键作用。吸收光子后，GNR通道产生更多自由载流子，降低载流子通道电阻。因此观测到显著光电流I_P = V_OC/R_G（V_OC为开路电压，R_G为16条石墨烯纳米带形成通道总电阻）。

如图2a-d所示，观测到μA级光电流，可能源于三方面贡献：一是GNRs带隙降低电子-空穴对复合率；二是光生电子在价带向导带跃迁时被GNRs边缘缺陷诱导的中间隙态捕获，故在空穴与被捕获电子复合前，空穴可在漏源电极间循环形成光电流，实现高增益；三是SiO₂/Si界面电子累积等效于施加垂直电场，大幅增强通道电导。此外，图2a-d中光电流对光学斩波器调制的入射光频率依赖性小，类似报道的MoS₂光探测器。光频率由斩波器调节时，光导效应在GNR光探测器载流子产生中起主导作用。但器件暴露于光照（0 Hz）时，光栅效应在载流子产生过程中显著，导致半导体中捕获和复合。

上述第三方面的详细物理过程见图2e、f。暗态下为达平衡，电子因两材料费米能级差从SiO₂扩散至Si，导致Si/SiO₂界面能带弯曲。结果在耗尽区形成强内建电场（E），高效分离光生电子-空穴对，电子移向Si/SiO₂界面，空穴转移至Si内部。电子在SiO₂/Si界面累积，这些被捕获电子对GNRs施加额外负向垂直电压，增加空穴浓度并相应降低GNR通道费米能级。

尽管器件表现高性能，仍需寻找有效方法大幅提升光电流和响应率。系统研究源漏偏压和栅电压对光电流影响。图3a显示固定栅电压下光电流（I_laser）、暗电流（I_dark）、光响应电流（I_ph）随源漏电压（-3 V≤V_SD≤10 V）变化。V_SD=0时光电流不为零且随源漏电压非线性增加，也证明内建电场存在。光电流值强烈依赖源漏偏压。令人信服的解释：I_illumination = I_ph + I_dark，I_ph和I_dark随漏源电压V_SD增加而增加，因外部电场下载流子漂移速度增加、传输时间减少。因此光生载流子分离效率提升，显著贡献大光电流。此现象表明GNR通道总电场（内建电场与外部电场之和）可由V_SD调控。

此外，考虑GNR栅可调载流子密度，通过调制背栅电压有效调节器件光电流。图3b显示V_SD=0时三种电流（I_illumination、I_ph、I_dark）随背栅电压（-5 V≤V_G≤5 V）变化。总体上光电流与栅电压绝对值正相关，因GNR载流子密度对外部垂直电场敏感。有趣的是，栅电压为负（-5 V≤V_G≤0 V）时光电流随栅电压增加而增加，栅电压为正（0 V≤V_G≤5 V）时相反。此现象可用GNR通道p型行为解释，与图2d观察一致。结果表明增加|V_G|可调节通道费米能级更接近价带（或导带），GNR通道电导可由栅调控。值得注意的是，两种调制方法（源漏电压和背栅电压）均在nA至μA超宽范围内展示了光电流可调性。

此外，响应率和增益也可通过调节栅电压和源漏电压高效调控。根据公式(1)(2)计算增益和光响应率对源漏偏压依赖并绘制于图4a、b。基于GNRs光探测器，增益与V_SD关系由公式G = τ/τ_T = τμV_SD/l²给出，其中τ为过剩空穴寿命（被捕获空穴寿命），τ_T = l²/(μV_SD)为载流子传输时间，l为通道长度，μ为载流子迁移率。因此增益与源漏电压正相关，呈线性依赖。室温下V_SD=0.5 V时达到最大光响应率R=170 AW⁻¹和最大增益G=14,500，比以往石墨烯纳米结构光探测器提升100倍。更重要的是增益和光响应率未饱和，施加更大漏源电压可获更高增益和响应率。

图4c、d显示施加背栅偏压提高GNRs载流子浓度也可增强光响应率和增益。V_G=-4 V时获得最大光响应率R=800 AW⁻¹和最大增益G=22,400。该最大光响应率比纯石墨烯光探测器（~10 mAW⁻¹）高五个数量级。增益和光响应率同样未饱和，施加更大背栅电压可获更高光响应率。除载流子浓度外，另一显著影响通道电流的因素是Au电极与GNRs间接触电阻（R_C），与界面肖特基势垒高度密不可分。GNRs作为p型通道，施加负V_G时因费米能级降低肖特基势垒高度减小；V_G增至正值时肖特基势垒增大，通道电流大幅抑制。

最后考察不同入射光功率下光电流时间依赖性。图5a显示不同入射光功率下时间依赖光电流测量。即使在mW级光功率下，光电流足够大可直接测量无需前置放大器或锁相放大器。图5b绘制光电流随入射光功率变化。光电流与入射功率呈非线性关系（I_ph = P^α, α=0.85）。低光功率下光栅电流贡献主导，因光生载流子减少光导效应可忽略。高光照下观测到电流增加，归因于光生电子增加（光导效应）。器件对入射光敏感，光电流与入射光能量紧密相关，显示出作为光功率监测的巨大潜力。表1提供各类光探测器光电参数对比。

结论

总结：我们演示了室温下可通过外部电场宽范围调控的高性能石墨烯纳米带光探测器。同时，无外部电场时器件性能可通过Si/SiO₂界面局域场增强。器件在V_G=-4 V时表现出800 AW⁻¹高光响应率，比以往研究高两个数量级。此外，器件结构比以往石墨烯基光电子器件简单得多，具有广泛应用潜力。石墨烯纳米带器件性能可通过h-BN封装、表面等离子体、铁电场和混合结构进一步提升。所提石墨烯纳米带光探测器为未来基于石墨烯的安全监测、光通信和航空应用中的超快高灵敏度开辟了令人兴奋的机会。