成果介绍
近日，厦门大学尹君副教授和李静教授（共同通讯作者）等提出了一种通过碰撞电离效应增强光电流倍增的工程化隧穿层，并在石墨烯/硅异质结光电探测器上进行了实验演示。考虑到绝缘材料合适的能带结构及其特殊的缺陷态，将原子层沉积（ALD）制备的AlN宽带隙绝缘（WBI）层引入石墨烯/硅异质结的界面。这种设计结构促进的隧穿过程表明，不仅可以有效地帮助来自硅的常规少数载流子的光增益碰撞电离，还可以有效地帮助来自石墨烯的新型热载流子。因此，与传统的石墨烯/硅(GS)相比，在这种石墨烯/绝缘体/硅(GIS)异质结器件（优化的AlN厚度~15 nm）中实现了显著增强的光电流以及同时降低了约一个数量级的暗电流。具体而言，在-10 V的反向偏压下，在850 nm光照下实现了3.96-A W-1的响应率，峰值响应的光增益~5.8；在365 nm紫外线(UV)照射下实现了1.03-A W-1的响应率，光增益~3.5，甚至显著高于具有Al2O3或常用SiO2绝缘层的GIS器件。这项工作展示了制造宽波段、低成本和高性能光电探测器的通用策略，有望实现石墨烯-硅光电集成。
图文导读
图1. 器件结构和工作机制。
图2. AlN薄膜的形态、结晶度和光学特性。
图3. GIS器件的光电探测性能。
图4. 与传统金属-半导体(MS)结构相比，GIS器件的隧穿机制。
图5. 使用不同绝缘材料的GIS器件的光响应比较。
文献信息
Engineered tunneling layer with enhanced impact ionization for detection improvement in graphene/silicon heterojunction photodetectors
(Light Sci. Appl., 2021, DOI:10.1038/s41377-021-00553-2)
文献链接：https://www.nature.com/articles/s41377-021-00553-2
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