浙江大学徐杨AOM：低噪声低功耗多层石墨烯/外延硅雪崩光电探测器

摘要：浙江大学集成电路学院徐杨课题组聚焦二维材料与硅基半导体的异质集成研究，以多层石墨烯宽光谱吸收和硅半导体低噪声特性为基础，致力于克服低光吸收、高噪声及功耗等挑战，设计出一种石墨烯/外延硅垂直异质结构雪崩光电探测器，在通信波段展现出卓越的灵敏度和增益，可实现高分辨率成像和近红外通信。

关键词：Advanced Optical Materials, 多层石墨烯, 硅半导体, 雪崩光电探测器, 浙江大学

分类：光子；电子；探测；器件；纳米；二维材料

近年来，原子级薄的二维材料因其优异的光电特性在光电器件领域引起了极大的研究兴趣。然而，由于二维材料的光吸收系数较低，导致其光电探测器在实际应用中一直面临挑战。为了解决这一问题，目前已经提出了利用二维材料设计雪崩光电探测器（APD）的方案，可有效利用光生载流子的碰撞电离，实现高增益响应。然而，二维材料同时作为光子吸收区和载流子倍增区，这不可避免地会引入较大的噪声电流，从而干扰对微弱光信号的准确检测。此外，由于二维半导体沟道材料和金属电极之间存在较大的背靠背肖特基势垒，迄今报道的大多数二维 APD 都依赖于较大的偏压来诱导碰撞电离发生，导致了器件存在功耗大的弊端。

浙江大学集成电路学院徐杨课题组在二维材料与硅基异质集成的研究基础之上，与浙江大学高分子科学与工程学系高超教授团队深度合作，通过将高超教授团队制备的多层石墨烯与外延硅异质集成，制造出一种具有低缺陷密度和光谱依赖性的垂直异质结构光电探测器。值得注意的是，为了充分利用多层石墨烯的高吸收系数和外延硅的低碰撞电离系数比，多层石墨烯作为主要光吸收层，拓宽硅基光电探测器的探测波段，尤其是在红外波段；而轻掺杂的外延硅则作为光生电子倍增区，有效抑制了热载流子的产生和倍增；重掺杂的基底硅可在硅半导体和金属电极之间形成欧姆接触，改善电流传输效率，从而减少整体功耗，提升能效。多层石墨烯/外延硅异质结光电探测器在雪崩模式下还展现出自淬灭和高增益的特性，可在1550 nm的通信波长下工作。结果表明，其响应率和检测率可比没有倍增时提高三个数量级以上，分别达到2.51 mA/W和2.67 × 10⁹ Jones。该光电探测器的雪崩击穿电压低、噪声小，是室温下近红外探测的低功耗器件。这项工作开辟了多层石墨烯与外延硅结合应用于高性能红外探测的道路，同时也促进了光通信与电子器件的整合。所以，这种异质结构还有很大潜力有待挖掘。

研究者相信，此项研究将会为基于二维材料硅基异质结构的光电探测应用提供新的思路。这一创新技术不仅展示了石墨烯在实际应用中的巨大潜力，也为光电探测器在多领域的发展开辟了新的路径。未来，随着技术的不断优化和完善，石墨烯等二维材料的新兴引入也将为硅基探测器带来更多可能性和更广泛的应用。相关论文在线发表在Advanced Optical Materials上，论文第一作者为浙江大学集成电路学院博士研究生李宗文，通讯作者为浙江大学集成电路学院徐杨教授。在此感谢参与此项研究工作中各位老师和同学们的倾心帮助，也特别感谢浙江大学高超教授、俞滨教授、赵昱达老师、胡欢老师、薛飞老师、方文章老师、韩勋老师以及上海交通大学但亚平老师的细心指导。这项研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划和中央高校基本科研业务费的资助。

论文信息：

Multilayer Graphene/Epitaxial Silicon Near‐Infrared Self‐Quenched Avalanche Photodetectors

Zongwen Li, Xiaoxue Cao, Zhixiang Zhang, Baoshi Qiao, Feng Tian, Yue Dai, Srikrishna Chanakya Bodepudi, Xinyu Liu, Jian Chai, Dajian Liu, Muhammad Abid Anwar, Xun Han, Fei Xue, Wenzhang Fang, Yaping Dan, Yuda Zhao, Huan Hu, Bin Yu, Chao Gao, and Yang Xu*

Advanced Optical Materials

DOI: 10.1002/adom.202400335