中国电子科技大学Jiuxun Sun和中国科学院重庆绿色智能技术研究所–通过集成石墨烯和超掺杂硅实现超高增益短波红外探测器

与硅基互补金属氧化物半导体 (CMOS) 工艺兼容的高灵敏度短波红外 (SWIR) 探测器被认为是微弱信号探测系统中的关键使能元件。迄今为止，高光增益器件受到大偏置电压、低温制冷、窄响应带和复杂制造工艺的极大限制。在这里，我们展示了在室温下在 SWIR 区域工作的高光增益探测器，该探测器使用石墨烯进行电荷传输，使用 Te 超掺杂硅 (Te-Si) 进行红外吸收。载流子寿命的延长，加上石墨烯和 Te-Si 之间界面产生的内建电势，在室温（300 K）下对于 1.55 μm 光具有 109 的超高光增益。增益可以提高到 1012，伴随着 0.71 pW Hz-1/2在 80 K 的噪声等效功率 (NEP)。此外，所提出的器件在 300 K 的波长处表现出 4.36 pW Hz-1/2 的 NEP  2.7 μm，超出了 InGaAs 探测器的工作区域。该研究表明，石墨烯可以作为硅基SWIR检测的有效平台，并为兼容CMOS工艺的低功耗、非制冷、高增益红外探测器提供了策略。

图 1. 装置原理图、工作原理和性能。  (a) 石墨烯/Te-Si 混合光电探测器的示意图。  (b) 中带 Si 中子带隙载流子激发的原理。  (c) Te-Si 和石墨烯/Te-Si 混合器件的工作机制示意图。  （d，e）混合光电探测器在波长分别为 1.55 和 2.7 μm 时具有不同掺杂水平的时间相关光响应。（f）1.55和2.7μm（插图）红外光的响应度和光功率之间的关系。

图 2. 低温混合器件的特性。(a) 混合光电探测器在 1.55 μm 光照射下不同温度下的光响应。光功率为 60 mW。（b）作为温度函数的光增益（黑色）和带宽（红色）。

图 3. 接触电位与载流子浓度的关系。  (a, b) N = 1 × 10²⁰cm^-3 和 N = 1 × 10¹⁷cm^-3 的硅-石墨烯结的能带图。(c) 耗尽区的宽度作为硅掺杂浓度的函数。(d) 模拟的接触势垒 (ψs) 作为石墨烯载流子浓度 (n₀) 和硅载流子浓度 (N) 的函数。（e-g）模拟不同掺杂浓度的硅异质结中的内建电场分布。

图 4. 内置电位对光增益的影响。 (a) 栅极调制石墨烯/Te-Si 结的器件配置。 源极和漏极连接到石墨烯沟道的末端，栅极接触Te-Si。(b, c) 石墨烯/Te-Si 结的能带图，分别在没有和有反向偏压的情况下。 (d, e) 不同栅极偏压下 1.55 和 2.7 μm 光的时间相关光响应。  (f) 光响应性与栅极电压的关系。

图5 性能比较。  (a) 石墨烯/Te-Si 混合光电探测器和 Te-Si 器件的噪声功率谱密度比较。偏置电压为 1 V。（b）混合和 Te-Si 光电探测器在不同偏置电压下的噪声电压。  (c) NEP 和 (d) 在这项工作中获得的响应度与文献中的相关设备进行了比较。

相关研究成果由中国电子科技大学Jiuxun Sun和中国科学院重庆绿色智能技术研究所Haofei Shi、Xingzhan Wei等人2022年发表在ACS Nano (https://doi.org/10.1021/acsnano.2c04704)上。原文：Ultrahigh Photogain Short-Wave Infrared Detectors Enabled by Integrating Graphene and Hyperdoped Silicon。