华南师范大学Zixuan Zhao等–通过插入Al2O3隧穿层的界面工程来提高石墨烯/GaAs异质结光电探测器的性能

界面工程是提高石墨烯光电探测器性能的有效途径。本文制备了石墨烯/砷化镓异质结光电探测器，并在探测器中插入Al₂O₃隧穿层，通过直接隧道(DT)和Fowler-Nordheim隧道(FNT)改善了探测器的性能。实验结果表明，隧穿层的厚度对光电探测器的性能有很大的影响。与石墨烯/GaAs光电探测器相比，石墨烯/ Al₂O₃ (2 nm)/ GaAs光电探测器在2V偏置下，1 mW/cm²光强下的响应率、探测率和外量子效率分别为0.80 A/W、3.02 × 10¹¹ Jones和306%。同时，也观察到快速响应(上升/衰减时间为3 ms/8.6 ms)。本文中光电探测器性能的提高主要归功于Al₂O₃隧穿层对界面状态的有效改变以及基于DT和FNT两种隧道机制的作用。

图1. (a)石墨烯/GaAs光电探测器的制作流程图。(b)石墨烯/GaAs光电探测器测试图。(c)石墨烯在GaAs上转移的拉曼光谱。

图2. (a)不同光功率密度(20-100 mW/ cm²)下635 nm光照下石墨烯/GaAs光电探测器的I-V和(b) I-T特性。(c)放大和归一化脉冲响应，以评估光电探测器的上升和衰减时间估计。(d-f) 2V下石墨烯/GaAs光电探测器的光功率依赖性R_λ和S (d)， D*和LDR (e)， EQE (f)。

图3. (a)光电探测器结构示意图。(b) 100 mW/cm²下不同Al₂O₃厚度的光电流曲线。(c) GaAs衬底上沉积的2nm Al₂O₃隧穿层的AFM图像。(d)石墨烯/Al₂O₃(2nm)/GaAs光电探测器在300-1100 nm的光谱响应。(e)石墨烯/ Al₂O₃ (2nm)/GaAs与石墨烯/GaAs的光电流和(f) I-T对比图。(g-i)不同Al₂O₃厚度的石墨烯/GaAs光电探测器的光功率依赖性R_λ和S (d)，D*和LDR (e)，EQE (f)。

图4. (a)不同光功率密度(20-100 mW/cm²)635 nm光照下石墨烯/ Al₂O₃ (2 nm)/GaAs光电探测器的I-V和(b) I-T特性。(c)放大和归一化脉冲响应，以评估光电探测器的上升和衰减时间估计。(d-f)石墨烯/ Al₂O₃ (2nm)/ GaAs光电探测器在2V下的光功率依赖性R_λ和S (d)，D*和LDR (e)，EQE (f)。

图5. (a)石墨烯和n-型GaAs在一定电压偏压下的能级示意图。(b)在一定电压偏置下，石墨烯与n-型GaAs之间插入Al₂O₃隧穿层的能级图。DT (c)与FNT (d)的拟合曲线。

相关研究成果由华南师范大学半导体科学与技术学院、广东省光电功能材料与器件工程技术研究中心Zixuan Zhao等人于2023年发表在Surfaces and Interfaces (https://doi.org/10.1016/j.surfin.2023.102909)上。原文：Interface engineering by inserting Al₂O₃ tunneling layer to enhance the performance of graphene/GaAs heterojunction photodetector。