來源：《半導體芯科技》雜志10/11月刊

日本NTT公司和美國國家材料科學研究所(NIMS)共同實現了石墨烯光電探測器(PD)的超快速零偏壓運行(220GHz)。此外，NTT和NIMS的研究首次闡明了石墨烯的光到電(O-E)轉換過程。石墨烯對從太赫茲(THz)到紫外線(UV)的各種電磁波均具有高靈敏度和高速電響應。因此，它是一種很有前景的光檢測材料，能夠在現有半導體設備無法工作的波段內實現高速的O-E轉換。然而到目前為止，限于傳統的器件結構和測量設備，實驗所展示的零偏壓運行速度被限制在70GHz。為此，石墨烯光電探測器研究面臨的挑戰是實現200GHz的運行速度并闡明石墨烯的固有特性，如光到電轉換的過程。

在這項研究中，NTT和NIMS通過使用氧化鋅(ZnO)薄膜作為柵極材料來消除器件結構造成的電流延遲，使用片上太赫茲光譜技術來高速讀出電流，并基于220GHz的3dB帶寬展示了高速運行。該研究還通過比較用不同質量的石墨烯光電探測器的特性，發現了運行速度和靈敏度之間的協調效應。這些發現將使石墨烯光電探測器能夠根據其預期用途進行優化，例如更注重靈敏度的光學傳感器或更注重速度的O-E信號轉換器。

該研究小組研究了石墨烯的O-E轉換，重點是光熱電(PTE)效應。該特性能實現改善功耗和信噪比所需的零偏壓運行。此外，研究表明，與傳統認識所不同的是，電流的響應時間幾乎與光電探測器的大小無關。根據載流子密度的不同，從光照射到產生電流的時間可以有很大變化范圍，從低于100fs到超過4ps。

這項開創性的研究于2022年8月25日在線發表在英國科學雜志《自然-光子學》(Nature Photonics)上。

審核編輯：湯梓紅