通過等離子體輔助化學氣相沉積(PACVD)技術將氮(N)摻雜到硅(Si)內的三維(3D)結構中，克服了寬帶光電探測器中二維(2D)石墨烯的局限性。這有助于垂直肖特基異質結廣譜光電探測器的構建以及在邏輯器件和圖像傳感器中的應用。3D -石墨烯的天然納米級諧振腔結構提高了光子捕獲效率，從而增加了光載流子的產生。n摻雜可以微調電子結構，提高肖特基勢壘高度，減少暗電流。制備的光電探測器具有優異的自驅動光響應，特別是在1550 nm處，具有良好的光響應率(79.6 A/W)，比檢出率(10
13 Jones)和130 μs的快速響應。此外，它支持邏輯電路，高分辨率模式圖像識別，以及可見光到近紅外范圍(400-1550 nm)的寬帶光譜記錄。
本研究將為高性能半導體石墨烯寬帶探測器的開發和廣泛應用提供新的觀點和技術支持。
圖1. (a) N摻雜3D-石墨烯的三維AFM圖像。(b) N摻雜3D -石墨烯/硅異質結的SEM橫截面圖。(c) N摻雜3D -石墨烯和Si的水接觸角測量值。(d) N摻雜3D-石墨烯異質結歸一化電場分布的三維分布視角。(e) N摻雜3D-石墨烯歸一化功率損耗密度分布的三維分布視角圖。
(f) N摻雜3D -石墨烯/硅異質結的EDS譜。插圖顯示了3D -石墨烯和N摻雜3D -石墨烯的(b)、(g)拉曼光譜對應的EDS元素映射圖。(h) n摻雜3D -石墨烯的高分辨率XPS C-1s光譜。
(i) N摻雜3D -石墨烯的高分辨率XPS N-1s光譜。
圖2. (a) 3D -石墨烯/Si異質結和(b) N摻雜3D -石墨烯/Si異質結在黑暗中的表面電位分布圖。
(c) N摻雜3D -石墨烯/硅異質結從暗到亮再回到暗的表面電位變化。(d)、(e)和(f)圖分別表示3D -石墨烯/硅異質結(圖a)、N摻雜3D -石墨烯/硅異質結(圖b)和過渡表面電位變化(圖c)中沿特定線的測量表面電位分布。(g) 3D -石墨烯/Si和(h) N摻雜3D -石墨烯/Si的UPS光譜。(i)光照射下N摻雜3D -石墨烯/硅異質結體系平衡后的能帶圖。
圖3. (a) 3D -石墨烯/Si異質結體系和(b) N摻雜3D -石墨烯/Si異質結體系的DOS。(c) 3D -石墨烯/硅異質結沿z方向的靜電勢。插圖描繪了3D -石墨烯/硅異質結的原子結構模型。
3D -石墨烯/硅異質結的電荷密度差(d)正視圖和(e)側視圖。(f) N摻雜3D -石墨烯/硅異質結沿z方向的靜電電位。插圖描繪了N摻雜3D -石墨烯/硅異質結的原子結構模型。N摻雜3D -石墨烯/硅異質結的電荷密度差(g)正視圖和(h)側視圖。黃色和青色分別代表電子的積累和消耗。
圖4. (a)不同波長光照下N摻雜3D -石墨烯/硅異質結光電探測器的I-V曲線。(b)兩個光電探測器之間噪聲電流的比較。(c)基于N摻雜3D -石墨烯/硅異質結的光電探測器在變強1550nm光照射下的光響應，偏置為0 V。(d)光電探測器在1550 nm光照射下，分別在偏置0、−1、−2和−3 V下的時間光響應。(e)兩個光電探測器的瞬態光電流衰減曲線。(f) N摻雜3D -石墨烯/硅異質結光電探測器的響應率和比探測率。(g)線性掃描時間分辨光響應。(h) N摻雜3D -石墨烯/硅異質結光電探測器在不同頻率下的光響應。(i)在2kHz記錄的部分光響應曲線的放大圖像，說明兩個光電探測器的快速上升和衰減時間。
圖5. (a)光控邏輯門測試示意圖。(b)光控“與”門和“或”門的輸入和輸出信號。(c)紅外通信系統發送ASCII碼“NBU”的輸入輸出信號。(d)寬帶成像系統示意圖。插圖顯示了實際的掩碼。(e)設備映像。比例尺為4mm。(f) 440 ~ 980 nm光照下的高分辨率二維電流映射。(g) 980和1550 nm光照下的高分辨率二維電流映射。
相關研究成果由南方科技大學
Caichao Ye、上海微系統與信息技術研究所
Li Zheng和寧波大學Gang Wang課題組2024年發表在
Nano Letters (鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c01917)上。原文：Nitrogen-Doped 3D-Graphene Advances Near-Infrared Photodetector for Logic Circuits and Image Sensors Overcoming 2D Limitations
轉自《石墨烯研究》公眾號
