高性能石墨烯基红外光探测器基础研究

Infrared photodectector is one of the most important semiconductor optoelectronic devices. Graphene is a promising candidate material for room temperature infrared photodectector. Direct bandgap semiconductor nanowires,with unique optical and electrical properties, have a promising application prospect in nano-optoelectronic intergation.Narrow bandgap semiconductor InSb and GaSb have high mobility, and are promising candidate materials for near-infrared and mid-infrared photodectectors, respectively.To the best of our knowledge, so far, the reported graphene based infrared photodectectors have either high photoresponsivity or response rate, and therefore, the overall performances are not good. In this project, we will synthesize high-quality semiconductor nanowire and large-scale graphene, explore novel device structures and techniques, and fabricate room-temperature graphene based infrared photodectectors with overall high performance, which combine the advantages of both graphene and semiconductor nanostructures. The device structures include nanowire waveguide-enhanced photodetector, graphene/nanowire heterojunction photodiode, and graphene nanoweb phototransistor.Studying the photoresponse properties and physical mechanism of these devices. Solving the key problem about increasing the photoresponsivity or response rate of the devices. Exploring applying these devices to flexible and transparent substrates. The project has wide prospect in military and civil application, silicon-based (carbon-based) optoelectronic intergation, and flexible and transparent devices.

红外光探测器是重要的半导体光电器件。石墨烯在制备室温红外光探测器方面有潜在应用前景。直接禁带半导体纳米线具有独特的光电特性，在纳米光电集成方面有重要应用前景。窄禁带高迁移率半导体InSb和GaSb分别是制备近红外和中红外探测器重要的候选材料。迄今为止报道的石墨烯基红外光探测器在光响应度和响应速度这两方面不能做到平衡优化，整体性能还较低。本项目将在深入开展高质量半导体纳米线和大面积高质量石墨烯可控生长、探索器件新结构、新工艺的基础上，结合石墨烯和纳米结构的优点，制备整体性能优越的室温石墨烯基红外光探测器。纳米线光波导增强型石墨烯光探测器、石墨烯/纳米线异质结光电二极管，及石墨烯纳米网络光电晶体管。研究这些器件的光响应性能和物理机制，解决提高器件光响应度和速度的关键问题。探索这些器件在柔性、透明衬底上的应用。本研究在国防、民用、硅(碳)基光电集成、柔性、透明器件等方面有广泛应用前景。

红外光探测器是重要的半导体光电器件之一。石墨烯在制备室温红外光探测器方面有潜在应用前景。窄禁带半导体InSb 和MoTe2是制备近红外探测器重要的候选材料。迄今为止报道的石墨烯基红外光探测器在光响应度和响应速度这两方面不能做到平衡优化，整体性能还较低。本项目在深入开展高质量低维半导体制备和大面积石墨烯可控生长、探索器件新结构、新工艺的基础上，结合石墨烯和纳米结构的优点，制备出整体性能优越的室温近红外光探测器。本研究在国防、民用、硅(碳)基光电集成、柔性、透明器件等方面有广泛应用前景。取得的成果包括：1.通过自催化的化学气相沉积方法在硅基衬底上合成了高质量的InSb纳米晶粒。该方法相比于之前所报道的方法更加简单，成本更低，并且与现有的硅基微电子工艺相兼容。通过控制铟层的蒸发厚度与生长时间，纳米晶粒的尺寸可以控制在54到182 nm之间。该方法合成的纳米晶粒具有单晶特性并且保持了良好的化学配比。通过将纳米晶粒与石墨烯相结合，我们成功实现了近红外光探测。其中用到的大面积石墨烯是采用化学气相沉积方法获得的，这使得该器件更具有实用的可能性。在1550 nm的激光照射下，具有小尺寸纳米晶粒的光探测器显示出更好的光响应特性，光响应度达到195 A W-1，该值高于报道时大部分基于石墨烯的1550 nm波长红外光探测器。详细讨论了该器件具有高光响应度的物理机制(RSC Adv. 6, 25123 (2016))；2. 研制出基于石墨烯-MoTe2-石墨烯纵向范德瓦尔斯异质结的超灵敏近红外光探测器。与报导时基于层状半导体材料的光探测器相比，该石墨烯-碲化钼-石墨烯光探测器具有优越的性能，包括高光响应度（在1064 nm激光下为110 mA W-1，在473 nm激光下为205 mA W-1），高外量子效率（在1064 nm激光下为12.9%，在473 nm激光下为53.8%），快速的响应和恢复过程（在1064 nm激光下，上升时间和下降时间分别为24和46 微秒），且不需要外加源漏电源供给(ACS Appl. Mater. Interfaces 9, 5392 (2017))。