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        界面工程是提高石墨烯光電探測器性能的有效途徑。本文制備了石墨烯/砷化鎵異質結光電探測器，并在探測器中插入Al₂O₃隧穿層，通過直接隧道(DT)和Fowler-Nordheim隧道(FNT)改善了探測器的性能。實驗結果表明，隧穿層的厚度對光電探測器的性能有很大的影響。與石墨烯/GaAs光電探測器相比，石墨烯/ Al₂O₃ (2 nm)/ GaAs光電探測器在2V偏置下，1 mW/cm²光強下的響應率、探測率和外量子效率分別為0.80 A/W、3.02 × 10¹¹ Jones和306%。同時，也觀察到快速響應(上升/衰減時間為3 ms/8.6 ms)。本文中光電探測器性能的提高主要歸功于Al₂O₃隧穿層對界面狀態(tài)的有效改變以及基于DT和FNT兩種隧道機制的作用。
 
圖1. (a)石墨烯/GaAs光電探測器的制作流程圖。(b)石墨烯/GaAs光電探測器測試圖。(c)石墨烯在GaAs上轉移的拉曼光譜。
 
圖2. (a)不同光功率密度(20-100 mW/ cm²)下635 nm光照下石墨烯/GaAs光電探測器的I-V和(b) I-T特性。(c)放大和歸一化脈沖響應，以評估光電探測器的上升和衰減時間估計。(d-f) 2V下石墨烯/GaAs光電探測器的光功率依賴性R_λ和S (d)， D*和LDR (e)， EQE (f)。
 
圖3. (a)光電探測器結構示意圖。(b) 100 mW/cm²下不同Al₂O₃厚度的光電流曲線。(c) GaAs襯底上沉積的2nm Al₂O₃隧穿層的AFM圖像。(d)石墨烯/Al₂O₃(2nm)/GaAs光電探測器在300-1100 nm的光譜響應。(e)石墨烯/ Al₂O₃ (2nm)/GaAs與石墨烯/GaAs的光電流和(f) I-T對比圖。(g-i)不同Al₂O₃厚度的石墨烯/GaAs光電探測器的光功率依賴性R_λ和S (d)，D*和LDR (e)，EQE (f)。
 
圖4. (a)不同光功率密度(20-100 mW/cm²)635 nm光照下石墨烯/ Al₂O₃ (2 nm)/GaAs光電探測器的I-V和(b) I-T特性。(c)放大和歸一化脈沖響應，以評估光電探測器的上升和衰減時間估計。(d-f)石墨烯/ Al₂O₃ (2nm)/ GaAs光電探測器在2V下的光功率依賴性R_λ和S (d)，D*和LDR (e)，EQE (f)。
 
圖5. (a)石墨烯和n-型GaAs在一定電壓偏壓下的能級示意圖。(b)在一定電壓偏置下，石墨烯與n-型GaAs之間插入Al₂O₃隧穿層的能級圖。DT (c)與FNT (d)的擬合曲線。

       相關研究成果由華南師范大學半導體科學與技術學院、廣東省光電功能材料與器件工程技術研究中心Zixuan Zhao等人于2023年發(fā)表在Surfaces and Interfaces (https://doi.org/10.1016/j.surfin.2023.102909)上。原文：Interface engineering by inserting Al₂O₃ tunneling layer to enhance the performance of graphene/GaAs heterojunction photodetector。

轉自《石墨烯研究》公眾號