石墨烯-自组织量子点复合结构红外探测器的制备与机理研究

Recent research interests on graphene are shifting from the fundamental physics to its nanoelectronic and photoelectronic applications. In this proposal, we will probe the strategy to fabricate graphene-based Infrared photodetectors with high gain and high efficiency. A field-effect transistor (FET) photodetector based on graphene-self assembled quantum dots hybrid materials will be designed and fabricated to overcome the low photoresponse of the single Layer or few layer graphene photodetectors. InAs and Ge self-assembled quantum dots will be grown by molecular beam epitaxy (MBE). The technical routes for the fabrication of the hybrid photodetecting materials as well as the FET photodetectors will be developed. The influences on the morphological and electronic states of the graphene from the hybrid materials are to be clarified. The creation and separation of the electron-hole pairs, the structure and formation of the Schottky barriers, as well as the photoresponse mechanism in the hybrid materials will also be elucidated. Based on these efforts, the infrared photodetectors with high efficiency will be achieved as promised by the ultra-high carrier mobility of graphene.

目前对石墨烯的研究重心正逐渐从基础物理向微纳电子学器件和光电子学应用领域转移。在此背景下，本项目将探索制备高效率石墨烯红外光电探测器的有效途径。通过分子束外延生长InAs和Ge量子点作为光吸收层，构建石墨烯-量子点复合材料，解决石墨烯单层或稀层光响应低的难题;探索制备高质量石墨烯-自组织量子点复合结合的有效技术途径。建立石墨烯-量子点复合材料场效应管红外探测器的制备方法。剖析石墨烯-自组织量子点复合结构对石墨烯形貌和电子态的影响，揭示复合材料中的电子-空穴对形成和分离等过程，探究石墨烯-量子点界面肖特基势垒和内建电场的结构和形成机制，澄清与之对应的光电流响应机理，为实现高探测效率的红外探测器提供基本的依据。

目前对石墨烯的研究重心正逐渐从基础物理向微纳电子学器件和光电子学应用领域转移。在此背景下，本项目探索了制备高效率石墨烯红外光电探测器的有效途径。构建石墨烯-量子点复合材料，建立石墨烯-量子点复合材料场效应管红外探测器的制备方法。剖析石墨烯-自组织量子点复合结构对石墨烯形貌和电子态的影响，揭示复合材料中的电子-空穴对形成和分离等过程，探究石墨烯-量子点界面肖特基势垒和内建电场的结构和形成机制，澄清与之对应的光电流响应机理，为实现高探测效率的红外探测器提供基本的依据。对该探测器的响应率、I-V特性曲线、暗电流特性、探测率、开关比等关键性能进行了研究。其在637nm入射光情况下的响应率、探测率以及开关比可分别达到为17.0 mA/W、2.3×1010 cmHz1/2 W-1 和1×103。同时，证实了该器件的暗电流、肖特基势垒高度和理想因子对温度的都具有较高的依赖性。于此同时，石墨烯在太赫兹探测领域存在巨大的潜力。因此本研究同时开展了石墨烯太赫兹探测领域的研究。我们摸索出了一种利用在沟道中引入额外电极，从而有效地调制沟道中耦合的太赫兹局域光场强度及热电子的输运，大幅度地提高了石墨烯晶体管探测器对太赫兹波的探测能力。该设计同时实现了光电探测模式在光伏模式与光导模式间的切换。并首次在器件中实现了偏置场效应。通过上述努力，我们澄清了石墨烯晶体管探测器对太赫兹波响应中热光伏效应的关键作用，并获得了 280V/W的响应率和100 pW/Hz0.5的等效噪声功率。本项目的研究成果展示了石墨烯在可见、红外、太赫兹探测领域的巨大应用前景。