圖1. (a)nMAG/epi-Si光電探測器的示意圖，(b-c)nMAG/epi-Si光電探測器的光譜依賴性

2024年7月，浙江大學集成電路學院的徐楊教授團隊在Advanced Optical Materials上發表了一篇題為“Multilayer Graphene/Epitaxial Silicon Near-Infrared Self-Quenched Avalanche Photodetectors”的文章。徐楊教授團隊研究了一種新型的多層石墨烯納米薄膜(nMAG)與外延硅(epi-Si)垂直異質結構光電探測器(下稱nMAG/epi-Si探測器)。該探測器在1550 nm處展示了高響應度(2.51 mA·W?1)和探測率(2.67 × 109 Jones)，具有較低的雪崩啟動電壓和在雪崩倍增過程中的自熄能力，能夠實現近紅外光通信數據鏈路中的實時數據傳輸速率高達38 Mbps。

近年來，二維材料因出色的光電特性在光電器件領域受到廣泛關注。但這些材料光吸收系數低，限制了其探測器的應用。為克服此問題，研究者提出使用二維材料構建雪崩光電探測器(APD)，通過碰撞電離實現高增益。然而，二維材料在倍增光生載流子的同時引入較大噪聲，影響微弱光信號檢測。此外，二維APD通常需要高偏壓來產生碰撞電離，導致功耗較高。

浙江大學集成電路學院徐楊課題組在二維材料與硅基異質集成的研究基礎之上，通過將多層石墨烯與外延硅異質集成，制造出一種具有低缺陷密度和光譜依賴性的垂直異質結構光電探測器(nMAG/epi-Si探測器)。多層石墨烯作為主要光吸收層，拓寬硅基光電探測器的探測波段;輕摻雜的外延硅則作為光生電子倍增區，有效抑制了熱載流子的產生和倍增;重摻雜的基底硅可在硅半導體和金屬電極之間形成歐姆接觸，改善電流傳輸效率，從而減少整體功耗，提升能效。

測量方法與部分實驗結果

研究團隊將高結晶度的nMAG作為吸收層轉移到輕摻雜的外延硅(epi-Si)上，形成垂直異質結構制備得到了nMAG/epi-Si 探測器(圖1a)。

為了評估 nMAG/epi-Si 探測器的性能，研究團隊研究了光譜響應特性、外量子效率(EQE)、特異性探測率(D*)和噪聲等效功率(NEP)等四個指標的變化。研究團隊通過改變單色光的波長，并測量每個波長下探測器的短路電流，可以得到反映光譜響應特性的光譜響應曲線。圖1(b)展示了nMAG/epi-Si 探測器的光譜依賴性。光譜依賴性是通過配備單色儀、鎖相放大器(OE1022 型)和 150W氙燈的響應測量系統測量的。nMAG/epi-Si 探測器在300-1100nm范圍內表現出光譜依賴的光響應，其響應峰值為0.38 A/W-1。響應度隨波長的依賴性表明，產生的光電流來自外延硅。此外nMAG/epi-Si 探測器在可見光區域的外部量子效率(EQE)高達60%，但隨著激發波長在近紅外區域的增加而降低。圖1(c)展示了nMAG/epi-Si 探測器在300-1100nm波長范圍內的D*和NEP光譜。結果顯示，D*和NEP分別可以達到6.63×1012 Jones和5.80×10-13W/Hz-1/2。

圖2展示了在可見光-近紅外波段，從532nm到1064nm的照明下的測試結果。在反向偏置下，隨著功率密度的增加，光電流增加了，而整流比rectification ratio降低了。這是由于在反向偏置下，光生載流子顯著改變了少數載流子的濃度，從而導致了光敏電流的產生。

圖2. nMAG/epi-Si探測器的光電特性：在(a)532nm和(c)1064nm下， nMAG/epi-Si探測器的I-V曲線在不同功率密度下的表現，以及在532nm(b)和1064nm(d)下, nMAG/epi-Si探測器在不同功率密度下的光伏特性。

nMAG/epi-Si探測器在雪崩模式下還展現出自淬滅和高增益的特性，可在1550 nm的波長下工作。當偏置電壓增加時，nMAG層充當nMAG/epi-Si器件中近紅外長波光譜的吸收層，如圖3(a)所示。另一方面，輕摻雜的epi-Si層用作乘法層，通過控制施加的偏置，可以調整nMAG層中的電場，在其中吸收光并產生光載流子。光生電子在相對較寬的耗盡區內的大內電場下獲得較大的動能，并且可以通過與晶格中的價電子進行碰撞電離來實現雪崩倍增，從而產生自由電子呈指數增長，導致光電流迅速增加。在1550 nm波長下，nMAG/epi-Si探測器表現出2.51 mA/W-1的高響應度和的2.67 × 109Jones探測率，高于沒有雪崩的光電二極管(圖4d)。

圖3. nMAG/epi-Si APD的工作機制和雪崩倍增特性

nMAG/epi-Si探測器作為光信號接收器集成到光通信系統中以測量眼圖，進一步證明了其在實際光學應用中的可行性，如圖4所示。nMAG/epi-Si APD表現出低噪聲電流，其快速響應能力使其應用于近紅外通信數據鏈路時，最大實時數據傳輸速率達到38 Mbps。另外，該光電探測器還可以在室溫下用于近紅外雙色探測，并已成功實驗。

圖4. 近紅外光通信的性能表征

總結

研究團隊制造出一種具有低缺陷密度和光譜依賴性的nMAG/epi-Si探測器，其在1550納米波長下具有高響應度和探測率，適合近紅外光通信和高分辨率成像。它在低反向偏置下有高增益和自淬滅特性，減少了噪聲并提高了信號穩定性。此外，探測器的低噪聲和快速響應使其能實現38 Mbps的數據傳輸速率。這些特性表明，nMAG/epi-Si異質結構在紅外探測和光通信領域具有很大的潛力。

審核編輯 黃宇