石墨烯-波导型光子晶体异质结光电探测器

High performance integrated photodetector plays an important role in the areas of frontier scientific research, national economy and national security. The application areas of the conventional photodetectors are extremely limited by the characteristics of the materials. Thanks to the remarkable optoelectronic properties of graphene, researchers have covered the shortages of conventional detectors and opened a bright way to improve the operation bandwidth, speed, responsivity and integration level. Based on the Optics and Semiconductor physics, the working mechanism of graphene heterojunction are studied in this project. We design and fabricate a photodetector based on graphene-photonic crystal waveguides (micro-cavity and slow-light waveguide) heterojunction. Meanwhile, we put our emphasis on the characteristics of materials and structures of the graphene-photonic crystal waveguides heterojunction through the pump-probe measurement and photocurrent measurement, revealing the mechanisms of the effects on photodetection. This work optimizes the structure and improves the performance of the detector, providing theoretical and technical supports for further research on chip integrated photodetector.

高性能集成光电探测器在前沿科学研究、国民经济和国家安全等领域具有重要应用价值。但是传统的光电探测器因为材料特性的限制，极大限制了其集成性和应用范围。研究表明，基于石墨烯卓越的光电特性制备的光电探测器弥补了传统光电探测器不足，将探测器的工作谱宽、响应速度、响应率、集成度推至了一个新的高度。本项目从光电子学与半导体物理学的理论出发，分析了石墨烯-波导型光子晶体异质结光电探测器的工作机制，设计并制备了新型的石墨烯-波导型光子晶体微腔/慢光波导异质结光电探测器。以研究探测器结构特性和材料特性对探测性能的提高为主线，基于泵浦-探测、光电流分布探测等测试手段，明确了探测器结构和材料特性对其光电性能的影响，优化了探测器结构和材料参数，提升了探测器性能和集成度，为片上集成光电探测器的深入研究提供了相关理论和技术支持。

石墨烯-异质结具有优异的光电特性，特别是波导型的石墨烯-光子晶体异质结，在高性能集成光电探测等领域中具有重要的研究意义和光明的应用前景。本项目开展了基于石墨烯异质结相关器件的机理研究以及器件制备、应用研究，取得了一系列重要结果。主要成果为，在石墨烯-硅异质结研究较少的通信波段实现了探测、调制等多功能光子器件的设计、制备和测试，结合光刻及湿法转移等工艺制备了石墨烯-硅光子晶体波导异质结、石墨烯-硅光子晶体腔异质结、石墨烯-碳量子点异质结，该异质结显示出优异的光电特性和明显的探测响应增强。石墨烯光子晶体异质结体现出超快载流子迁移率，光生载流子在肖特基异质结内建电场迅速迁移，使得器件具有超过25GHz的响应速度。结合光子晶体中强光与物质相互作用，利用石墨烯-光子晶体腔增强对特定入射光的吸收，实现了通信波段探测的增强。同时，我们分析了热效应对石墨烯-光子晶体异质结的影响，研究了其中器件热形变、能带调控、双稳态等现象。此外，我们还制备并研究了光纤-硅-石墨烯异质结探测器，显示出其从可见光波导至红外光波段具有超宽带宽的响应。相关研究结果为石墨烯异质结光子器件在集成光电子领域的研究提供了理论和技术支持，在探测、成像和传感等领域有较好的应用前景。