厦门大学张峰AOM：用于光电逻辑门的高性能SiC/石墨烯紫外可见双波段光电探测器

创新点：团队提出了一种具有光栅结构和非对称电极的紫外-可见双波段光电探测器，在增强光吸收的同时，优化电场分布，使得电极间的区域完全耗尽并且引发局部雪崩效应，实现了高性能紫外及可见双波段探测。团队将其应用于光电逻辑“与”门，这对扩展双波段探测器的应用具有重要意义。

关键词：光栅结构，非对称电极，4H-SiC/石墨烯，紫外可见光电探测器，光电逻辑门

分类：光子；电子；器件；二维材料

图（a）器件结构示意图；（b）四种不同光照条件下的瞬态电流特性（光信息编码示意图）；（c）器件在紫外波段（200-400 nm）响应度；（d）器件在可见波段（400-770 nm）响应度

光电探测器是一种将光信号转换成电信号从而实现探测的器件，然而传统的单波段探测器存在探测波段单一、信号漏报或误报警等情况，且不能满足多色成像等领域的需求，因此多波段探测器具有重要的研究意义。多波段光电探测器在光学成像、光电传感、光谱学和通信等各个领域受到广泛关注，特别是紫外-可见光电探测器在光电开关、光存储和生物医学成像系统中占据重要地位。石墨烯具有零带隙、超高载流子迁移率、紫外到中红外的宽波段吸收等优异特性，通过热分解碳化硅制备石墨烯的方法由于具有晶体质量高、无需转移的优点，获得了研究人员的青睐，并广泛应用于透明电极、表面等离子体器件和多波段光电探测器等领域。然而，目前SiC/石墨烯异质结探测器存在响应度及探测率较低、响应速度较慢的情况。厦门大学物理科学与技术学院张峰教授课题组通过在器件中引入光栅结构及非对称电极，降低器件暗电流，提升了器件的响应度、探测率及响应速度等性能。

实验结果表明，光栅结构提升了器件在紫外及可见波段的光吸收率；仿真结果显示，非对称电极的引入使得器件中出现3 MV/cm的强电场，该电场已达到SiC材料的临界场强从而引起局域雪崩效应，提升光电转换效率。光电测试结果表明，探测器在30 V偏压下具有5.2×10^-14 A的极低暗电流，在紫外波段280 nm处的响应度与探测率分别可达1.17 A/W与3.14×10¹⁴ Jones，相应的外量子效率为518%，器件的上升时间及下降时间仅为25.17 ns及540.1 ns；同时，在可见波段430 nm处的响应度及探测率分别为1.4×10^-5 A/W、6.5×10⁹ Jones。在此双波段探测器的基础上，团队将其应用于光电逻辑门，实现了信息的加密编码，这对拓宽双波段探测器的应用具有重要意义。相关工作以“High-Performance SiC/Graphene UV-Visible Band Photodetectors with Grating Structure and Asymmetrical Electrodes for Optoelectronic Logic Gate”为题，发表在Advanced Optical Materials（DOI：10.1002/adom.202400469）上，文章的第一作者为厦门大学物理科学与技术学院硕士研究生张泽阳与孙存志博士后，通讯作者为厦门大学物理科学与技术学院张峰教授、傅德颐副教授、陈厦平高级工程师及孙存志博士后。

论文信息：

High-Performance SiC/Graphene UV-Visible Band Photodetectors with Grating Structure and Asymmetrical Electrodes for Optoelectronic Logic Gate

Zeyang Zhang, Cunzhi Sun*, Baihong Zhu, Jiadong Chen, Zhao Fu, Zihao Li, Shaoxiong Wu, Yuning Zhang, Jiafa Cai, Rongdun Hong, Dingqu Lin, Deyi Fu*, Zhengyun Wu, Xiaping Chen*, and Feng Zhang*

Advanced Optical Materials

DOI: 10.1002/adom.202400469