通過等離子體輔助化學(xué)氣相沉積(PACVD)技術(shù)將氮(N)摻雜到硅(Si)內(nèi)的三維(3D)結(jié)構(gòu)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(zhì)結(jié)廣譜光電探測器的構(gòu)建以及在邏輯器件和圖像傳感器中的應(yīng)用。3D -石墨烯的天然納米級諧振腔結(jié)構(gòu)提高了光子捕獲效率，從而增加了光載流子的產(chǎn)生。n摻雜可以微調(diào)電子結(jié)構(gòu)，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(yōu)異的自驅(qū)動光響應(yīng)，特別是在1550 nm處，具有良好的光響應(yīng)率(79.6 A/W)，比檢出率(10
13 Jones)和130 μs的快速響應(yīng)。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(dǎo)體石墨烯寬帶探測器的開發(fā)和廣泛應(yīng)用提供新的觀點和技術(shù)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(zhì)結(jié)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(zhì)結(jié)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(zhì)結(jié)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(yīng)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(zhì)結(jié)和(b) N摻雜3D -石墨烯/Si異質(zhì)結(jié)在黑暗中的表面電位分布圖。
(c) N摻雜3D -石墨烯/硅異質(zhì)結(jié)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(zhì)結(jié)(圖a)、N摻雜3D -石墨烯/硅異質(zhì)結(jié)(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(zhì)結(jié)體系平衡后的能帶圖。
圖3. (a) 3D -石墨烯/Si異質(zhì)結(jié)體系和(b) N摻雜3D -石墨烯/Si異質(zhì)結(jié)體系的DOS。(c) 3D -石墨烯/硅異質(zhì)結(jié)沿z方向的靜電勢。插圖描繪了3D -石墨烯/硅異質(zhì)結(jié)的原子結(jié)構(gòu)模型。
3D -石墨烯/硅異質(zhì)結(jié)的電荷密度差(d)正視圖和(e)側(cè)視圖。(f) N摻雜3D -石墨烯/硅異質(zhì)結(jié)沿z方向的靜電電位。插圖描繪了N摻雜3D -石墨烯/硅異質(zhì)結(jié)的原子結(jié)構(gòu)模型。N摻雜3D -石墨烯/硅異質(zhì)結(jié)的電荷密度差(g)正視圖和(h)側(cè)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(zhì)結(jié)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(zhì)結(jié)的光電探測器在變強1550nm光照射下的光響應(yīng)，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(yīng)。(e)兩個光電探測器的瞬態(tài)光電流衰減曲線。(f) N摻雜3D -石墨烯/硅異質(zhì)結(jié)光電探測器的響應(yīng)率和比探測率。(g)線性掃描時間分辨光響應(yīng)。(h) N摻雜3D -石墨烯/硅異質(zhì)結(jié)光電探測器在不同頻率下的光響應(yīng)。(i)在2kHz記錄的部分光響應(yīng)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(tǒng)發(fā)送ASCII碼“NBU”的輸入輸出信號。(d)寬帶成像系統(tǒng)示意圖。插圖顯示了實際的掩碼。(e)設(shè)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(guān)研究成果由南方科技大學(xué)
Caichao Ye、上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所
Li Zheng和寧波大學(xué)Gang Wang課題組2024年發(fā)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(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
