從近紅外（NIR）到短波紅外（SWIR）光譜的光電探測對于許多應(yīng)用都非常重要。近年來，研究人員正在努力探索新興拓撲狄拉克半金屬（Dirac semimetal）材料在寬帶光電探測方面的潛力。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，德國卡爾斯魯厄理工學(xué)院（Karlsruhe Institute of Technology）的科研團隊在Advanced Sensor Research期刊上發(fā)表了以“Enhanced Broadband Photodetection with Geometry and Interface Engineered Nanocrystalline Graphite”為主題的論文。該論文的第一作者為Devang Parmar，通訊作者為Ralph Krupke。

這項研究探索了利用納米晶體石墨（NCG）在懸浮、窄縮結(jié)構(gòu)中進行光電探測，以提高其光電探測性能。研究人員在懸浮和襯底支撐兩種NCG器件中都制備了領(lǐng)結(jié)形（bowtie）收縮結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)精確比較。通過利用電場集中和熱隔離，與缺少這種收縮結(jié)構(gòu)的襯底支撐NCG器件相比，懸浮窄縮結(jié)構(gòu)器件的測熱輻射光響應(yīng)提升了兩個數(shù)量級。在整個工作中，所提出的器件保持了從近紅外到短波紅外光譜的穩(wěn)定光響應(yīng)，同時通過增加NCG層厚度降低了工作電壓。

這項研究中的光電探測器采用兩種不同的配置制造，即具有領(lǐng)結(jié)形窄縮結(jié)構(gòu)的懸浮和支撐的NCG器件。為了便于準確比較，研究人員在相同SiO2/Si襯底上共制備了四組懸浮和等量支撐的NCG光電探測器，如圖1a（光學(xué)顯微鏡圖）和圖1b（透視圖）所示。比較懸浮與支撐器件，懸浮NCG結(jié)構(gòu)的拉曼（Raman）信號強度明顯高于支撐NCG結(jié)構(gòu)，這是因為拉曼散射光優(yōu)先輻射到光學(xué)致密的SiO2/Si襯底介質(zhì)中。圖2a顯示了襯底支撐和懸浮器件的電阻R與施加偏置電壓V的關(guān)系。

圖1 NCG器件的微觀表征

圖2 NCG器件的電學(xué)和拉曼特性

簡單來講，通過將寬帶超連續(xù)激光源發(fā)出的光送入聲光可調(diào)濾波器（AOTF），可以產(chǎn)生1100 nm ~ 2100 nm的穩(wěn)定功率譜。每個波長焦點的微調(diào)是通過二維短波紅外相機最小化激光光斑的調(diào)整實現(xiàn)的。通過這種焦點校正，研究人員對每個波長的目標區(qū)域進行了連續(xù)光電流掃描。光電流信號由可調(diào)偏置的低噪聲電流前置放大器（SR570）放大，光電流信號的幅值和相位由鎖相放大器記錄。研究人員還討論了具有懸浮收縮結(jié)構(gòu)器件的測量結(jié)果（如圖4），并將其與具有襯底支撐的器件進行了比較（如圖3）。

圖3 襯底支撐收縮器件的掃描光電流成像

圖4 懸浮收縮器件的掃描光電流成像

在暗電流測量和測熱輻射光電流測量中，與暗電流方向相同的光致電流流動產(chǎn)生零相位信號，而相反方向的光電流可產(chǎn)生180°相位信號。因此，研究人員可以通過相位圖直接推斷出光電流的方向，如圖5所示。

圖5 利用相敏測量確定光電流

最后，研究人員根據(jù)圖3和圖4中心的測熱輻射光電流來量化器件的響應(yīng)率。對其光電流響應(yīng)性和光譜進行了分析，結(jié)果如圖6所示。

圖6 光電流響應(yīng)率和光譜分析

綜上所述，這項研究使用NCG作為光吸收材料的好處在于，其厚度可以在晶圓尺度上調(diào)整，以實現(xiàn)在近紅外到短波紅外波段的穩(wěn)定吸收。此外，該材料與CMOS工藝相兼容，可以通過干法和濕法蝕刻工藝橫向成形并獨立制備。這樣便能夠制備具有厚度可調(diào)吸收率的獨立式領(lǐng)結(jié)形收縮結(jié)構(gòu)，并且與襯底支撐器件相比，由于懸浮收縮器件的熱化程度降低了一個數(shù)量級，因此器件的響應(yīng)率和探測率得到了顯著提升。未來，通過晶粒尺寸和晶界工程來降低材料的電阻率，以及通過在空氣間隙底部添加反射涂層來進一步增加光吸收，所提出器件的性能有望得到進一步提升。

審核編輯：劉清