通过等离子体辅助化学气相沉积(PACVD)技术将氮(N)掺杂到硅(Si)内的三维(3D)结构中，克服了宽带光电探测器中二维(2D)石墨烯的局限性。这有助于垂直肖特基异质结广谱光电探测器的构建以及在逻辑器件和图像传感器中的应用。3D -石墨烯的天然纳米级谐振腔结构提高了光子捕获效率，从而增加了光载流子的产生。n掺杂可以微调电子结构，提高肖特基势垒高度，减少暗电流。制备的光电探测器具有优异的自驱动光响应，特别是在1550 nm处，具有良好的光响应率(79.6 A/W)，比检出率(1013 Jones)和130 μs的快速响应。此外，它支持逻辑电路，高分辨率模式图像识别，以及可见光到近红外范围(400-1550 nm)的宽带光谱记录。本研究将为高性能半导体石墨烯宽带探测器的开发和广泛应用提供新的观点和技术支持。
图1. (a) N掺杂3D-石墨烯的三维AFM图像。(b) N掺杂3D -石墨烯/硅异质结的SEM横截面图。(c) N掺杂3D -石墨烯和Si的水接触角测量值。(d) N掺杂3D-石墨烯异质结归一化电场分布的三维分布视角。(e) N掺杂3D-石墨烯归一化功率损耗密度分布的三维分布视角图。(f) N掺杂3D -石墨烯/硅异质结的EDS谱。插图显示了3D -石墨烯和N掺杂3D -石墨烯的(b)、(g)拉曼光谱对应的EDS元素映射图。(h) n掺杂3D -石墨烯的高分辨率XPS C-1s光谱。(i) N掺杂3D -石墨烯的高分辨率XPS N-1s光谱。
图2. (a) 3D -石墨烯/Si异质结和(b) N掺杂3D -石墨烯/Si异质结在黑暗中的表面电位分布图。(c) N掺杂3D -石墨烯/硅异质结从暗到亮再回到暗的表面电位变化。(d)、(e)和(f)图分别表示3D -石墨烯/硅异质结(图a)、N掺杂3D -石墨烯/硅异质结(图b)和过渡表面电位变化(图c)中沿特定线的测量表面电位分布。(g) 3D -石墨烯/Si和(h) N掺杂3D -石墨烯/Si的UPS光谱。(i)光照射下N掺杂3D -石墨烯/硅异质结体系平衡后的能带图。
图3. (a) 3D -石墨烯/Si异质结体系和(b) N掺杂3D -石墨烯/Si异质结体系的DOS。(c) 3D -石墨烯/硅异质结沿z方向的静电势。插图描绘了3D -石墨烯/硅异质结的原子结构模型。3D -石墨烯/硅异质结的电荷密度差(d)正视图和(e)侧视图。(f) N掺杂3D -石墨烯/硅异质结沿z方向的静电电位。插图描绘了N掺杂3D -石墨烯/硅异质结的原子结构模型。N掺杂3D -石墨烯/硅异质结的电荷密度差(g)正视图和(h)侧视图。黄色和青色分别代表电子的积累和消耗。
图4. (a)不同波长光照下N掺杂3D -石墨烯/硅异质结光电探测器的I-V曲线。(b)两个光电探测器之间噪声电流的比较。(c)基于N掺杂3D -石墨烯/硅异质结的光电探测器在变强1550nm光照射下的光响应，偏置为0 V。(d)光电探测器在1550 nm光照射下，分别在偏置0、−1、−2和−3 V下的时间光响应。(e)两个光电探测器的瞬态光电流衰减曲线。(f) N掺杂3D -石墨烯/硅异质结光电探测器的响应率和比探测率。(g)线性扫描时间分辨光响应。(h) N掺杂3D -石墨烯/硅异质结光电探测器在不同频率下的光响应。(i)在2kHz记录的部分光响应曲线的放大图像，说明两个光电探测器的快速上升和衰减时间。
图5. (a)光控逻辑门测试示意图。(b)光控“与”门和“或”门的输入和输出信号。(c)红外通信系统发送ASCII码“NBU”的输入输出信号。(d)宽带成像系统示意图。插图显示了实际的掩码。(e)设备映像。比例尺为4mm。(f) 440 ~ 980 nm光照下的高分辨率二维电流映射。(g) 980和1550 nm光照下的高分辨率二维电流映射。
相关研究成果由南方科技大学Caichao Ye、上海微系统与信息技术研究所Li Zheng和宁波大学Gang Wang课题组2024年发表在Nano Letters (链接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c01917)上。原文：Nitrogen-Doped 3D-Graphene Advances Near-Infrared Photodetector for Logic Circuits and Image Sensors Overcoming 2D Limitations
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