從近紅外（NIR）到短波紅外（SWIR）光譜的光電探測(cè)對(duì)于許多應(yīng)用都非常重要。近年來(lái)，研究人員正在努力探索新興拓?fù)涞依税虢饘伲―irac semimetal）材料在寬帶光電探測(cè)方面的潛力。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，德國(guó)卡爾斯魯厄理工學(xué)院（Karlsruhe Institute of Technology）的科研團(tuán)隊(duì)在Advanced Sensor Research期刊上發(fā)表了以“Enhanced Broadband Photodetection with Geometry and Interface Engineered Nanocrystalline Graphite”為主題的論文。該論文的第一作者為Devang Parmar，通訊作者為Ralph Krupke。

這項(xiàng)研究探索了利用納米晶體石墨（NCG）在懸浮、窄縮結(jié)構(gòu)中進(jìn)行光電探測(cè)，以提高其光電探測(cè)性能。研究人員在懸浮和襯底支撐兩種NCG器件中都制備了領(lǐng)結(jié)形（bowtie）收縮結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)精確比較。通過(guò)利用電場(chǎng)集中和熱隔離，與缺少這種收縮結(jié)構(gòu)的襯底支撐NCG器件相比，懸浮窄縮結(jié)構(gòu)器件的測(cè)熱輻射光響應(yīng)提升了兩個(gè)數(shù)量級(jí)。在整個(gè)工作中，所提出的器件保持了從近紅外到短波紅外光譜的穩(wěn)定光響應(yīng)，同時(shí)通過(guò)增加NCG層厚度降低了工作電壓。

這項(xiàng)研究中的光電探測(cè)器采用兩種不同的配置制造，即具有領(lǐng)結(jié)形窄縮結(jié)構(gòu)的懸浮和支撐的NCG器件。為了便于準(zhǔn)確比較，研究人員在相同SiO2/Si襯底上共制備了四組懸浮和等量支撐的NCG光電探測(cè)器，如圖1a（光學(xué)顯微鏡圖）和圖1b（透視圖）所示。比較懸浮與支撐器件，懸浮NCG結(jié)構(gòu)的拉曼（Raman）信號(hào)強(qiáng)度明顯高于支撐NCG結(jié)構(gòu)，這是因?yàn)槔⑸涔鈨?yōu)先輻射到光學(xué)致密的SiO2/Si襯底介質(zhì)中。圖2a顯示了襯底支撐和懸浮器件的電阻R與施加偏置電壓V的關(guān)系。

圖1 NCG器件的微觀表征

圖2 NCG器件的電學(xué)和拉曼特性

簡(jiǎn)單來(lái)講，通過(guò)將寬帶超連續(xù)激光源發(fā)出的光送入聲光可調(diào)濾波器（AOTF），可以產(chǎn)生1100 nm ~ 2100 nm的穩(wěn)定功率譜。每個(gè)波長(zhǎng)焦點(diǎn)的微調(diào)是通過(guò)二維短波紅外相機(jī)最小化激光光斑的調(diào)整實(shí)現(xiàn)的。通過(guò)這種焦點(diǎn)校正，研究人員對(duì)每個(gè)波長(zhǎng)的目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行了連續(xù)光電流掃描。光電流信號(hào)由可調(diào)偏置的低噪聲電流前置放大器（SR570）放大，光電流信號(hào)的幅值和相位由鎖相放大器記錄。研究人員還討論了具有懸浮收縮結(jié)構(gòu)器件的測(cè)量結(jié)果（如圖4），并將其與具有襯底支撐的器件進(jìn)行了比較（如圖3）。

圖3 襯底支撐收縮器件的掃描光電流成像

圖4 懸浮收縮器件的掃描光電流成像

在暗電流測(cè)量和測(cè)熱輻射光電流測(cè)量中，與暗電流方向相同的光致電流流動(dòng)產(chǎn)生零相位信號(hào)，而相反方向的光電流可產(chǎn)生180°相位信號(hào)。因此，研究人員可以通過(guò)相位圖直接推斷出光電流的方向，如圖5所示。

圖5 利用相敏測(cè)量確定光電流

最后，研究人員根據(jù)圖3和圖4中心的測(cè)熱輻射光電流來(lái)量化器件的響應(yīng)率。對(duì)其光電流響應(yīng)性和光譜進(jìn)行了分析，結(jié)果如圖6所示。

圖6 光電流響應(yīng)率和光譜分析

綜上所述，這項(xiàng)研究使用NCG作為光吸收材料的好處在于，其厚度可以在晶圓尺度上調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)在近紅外到短波紅外波段的穩(wěn)定吸收。此外，該材料與CMOS工藝相兼容，可以通過(guò)干法和濕法蝕刻工藝橫向成形并獨(dú)立制備。這樣便能夠制備具有厚度可調(diào)吸收率的獨(dú)立式領(lǐng)結(jié)形收縮結(jié)構(gòu)，并且與襯底支撐器件相比，由于懸浮收縮器件的熱化程度降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)，因此器件的響應(yīng)率和探測(cè)率得到了顯著提升。未來(lái)，通過(guò)晶粒尺寸和晶界工程來(lái)降低材料的電阻率，以及通過(guò)在空氣間隙底部添加反射涂層來(lái)進(jìn)一步增加光吸收，所提出器件的性能有望得到進(jìn)一步提升。

審核編輯：劉清