新研究證明石墨烯成為寬帶高速光電探測器材料的前景

據麥姆斯咨詢報道，近日，NTT公司和美國國家材料科學研究所（NIMS）共同實現了石墨烯光電探測器（PD）的世界超快速零偏壓運行（220 GHz）。此外，NTT和NIMS的研究首次闡明了石墨烯的光到電（O-E）轉換過程。石墨烯對從太赫茲（THz）到紫外線（UV）的各種電磁波均具有高靈敏度和高速電響應。因此，它是一種很有前景的光檢測材料，能夠在現有半導體設備無法工作的波段內實現高速的O-E轉換。然而到目前為止，限于傳統的器件結構和測量設備，實驗所展示的零偏壓運行速度被限制在70 GHz。為此，石墨烯光電探測器研究面臨的挑戰是實現200 GHz的運行速度并闡明石墨烯的固有特性，如光到電轉換的過程。

在這項研究中，NTT和NIMS通過使用氧化鋅（ZnO）薄膜作為柵極材料來消除器件結構造成的電流延遲，使用片上太赫茲光譜技術來高速讀出電流，并基于220 GHz的3dB帶寬展示了高速運行。該研究還通過比較用不同質量的石墨烯光電探測器的特性，發現了運行速度和靈敏度之間的協調效應。這些發現將使石墨烯光電探測器能夠根據其預期用途進行優化，例如更注重靈敏度的光學傳感器或更注重速度的O-E信號轉換器。這項開創性的研究于2022年8月25日在線發表在英國科學雜志《自然-光子學》（Nature Photonics）上。

石墨烯光電探測器（PD）示意圖

220 GHz運行速度的演示

該研究小組研究了石墨烯的O-E轉換，重點是光熱電（PTE）效應。該特性能實現改善功耗和信噪比所需的零偏壓運行。此外，研究表明，與傳統認識所不同的是，電流的響應時間幾乎與光電探測器的大小無關。根據載流子密度的不同，從光照射到產生電流的時間可以有很大變化范圍，從低于100 fs到超過4 ps。

這些結果展示了石墨烯作為高速寬帶光電探測器材料的潛力。然而，本實驗中的石墨烯提煉自石墨，因而不適合大規模生產。在未來，NTT的研究人員將評估采用可量產的大面積石墨烯的光電探測器。研究人員一直在積極通過分層堆疊石墨烯和其他二維材料（單或多原子層材料）來創造自然界中不存在的材料。研究人員還將充分利用這項技術，尋找能夠實現更快運行的材料。

在藍寶石襯底和片上太赫茲光譜電路上制造的石墨烯光電探測器（PD）顯微照片

審核編輯：郭婷