浙江大学林时胜教授团队：石墨烯/GaAs肖特基接面，拓展光谱范围的新突破

【重点摘要】

这项研究由浙江大学林时胜教授团队等人发表。

• 制作了石墨烯/GaAs异质结构光检测器

• 添加银纳米颗粒以进行等离子增强

• 实现超高（210 mA/W）、宽频（325-980 nm）的响应度和探测度

• 从纳米粒子等离子体重叠载流子分离区域进行增强

• 可用于色彩检测等应用的可见光到近红外的敏感度理想

• 协同石墨烯/GaAs/等离子体整合实现卓越性能

【研究背景】

石墨烯展现出优异的宽频光检测光电特性，但基于石墨烯的光检测器的响应度和探测度受限。将石墨烯与半导体作为异质结构整合可以增强性能，但半导体的能隙限制使先前的展示仅适用于狭窄光谱范围，不适用于对敏感色彩检测要求较高的应用。GaAs是克服这些限制的理想候选者，其直接的1.42电子伏特能隙和高迁移率使其能够实现从可见光到近红外的高性能光检测。此外，石墨烯/GaAs界面上光产生载流子的超快分离为从局部表面等离子共振中获得显著增强提供了潜在可能性。本研究实现了一种等离子增强的石墨烯/GaAs异质结构光检测器，其响应度、探测度和325-980 nm范围内的宽频响应度同时极高，呈现了现有光检测器无法匹敌的卓越灵敏度。

【研究结果】

光响应度和探测度

• 在405nm波长下，银纳米颗粒使光响应度提高了38%，达到210mA/W，探测度提高了202%，达到2.98×10^13 Jones。

• 这种探测度超过先前基于石墨烯的光检测器2至3个数量级。

• 提升效果覆盖了从325nm到980nm的整个测试光谱范围。

提升的光谱依赖性

• 在较短波长处表现出更大的增强，与银纳米颗粒等离子共振峰相匹配。

• 显示提升来自表面等离子共振。

载流子寿命和EQE分析

• 更快的瞬态PL衰减（1.65ns对比1.97ns）表明银纳米颗粒将光吸收局部化在GaAs表面附近。

• 从300至1000nm的增加EQE与等离子增强相符。

• 以上确认了表面等离子体能够在异质界面上更有效地分离载流子。

光学模拟

• 模拟显示银纳米颗粒周围和延伸至GaAs的近场集中。

• 与石墨烯/GaAs肖特基接面和GaAs光吸收深度重叠。

• 解释了这种异质系统中极为宽频提升的来源。

【研究方法】

• 作者将CVD生长的石墨烯转移到n型GaAs基板上，制作了石墨烯/GaAs异质结构光检测器。

• 使用自旋涂布技术将银纳米颗粒（直径100nm）涂覆到石墨烯表面，利用表面等离子共振提升器件性能。

• 在不同照射波长（325-980nm）下，以自供电模式测量了光电流、响应度和探测度。

• 进行了瞬态PL衰减和EQE测量，以研究性能提升机制。

【结论】

石墨烯与GaAs的协同作用通过石墨烯/GaAs接面耗尽区域、表面等离子近场和GaAs吸收深度的复杂重叠，带来了显著的宽频增强。这种增强机制特别适用于石墨烯/直接带隙半导体异质结构，例如石墨烯/GaAs。由此产生的增强效应提高了响应度、探测度和宽广的光谱范围，使其成为一款出色的光检测器，特别适用于需要敏感彩色检测的应用，比如CCD成像。

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