[论文解读] Interfacial amplification for graphene based position-sensitive-detectors

Wenhui Wang, Ruxia Du+7 more|arXiv (Cornell University)|Jun 12, 2017

Optical Wireless Communication Technologies参考文献 20被引用 3

一句话总结

本文提出一种基于石墨烯的位敏探测器（PSD），其界面放大机制利用了SiO2/Si界面处石墨烯的超高迁移率和长载流子寿命，实现了约10^4的信号放大。该增强效果提升了响应度，可在不牺牲空间分辨率或响应速度的前提下探测nW量级的信号，实现了与现有硅技术兼容的高灵敏度弱光探测。

ABSTRACT

Position-sensitive-detectors (PSDs) based on lateral photoeffect has been widely used in diverse applications, including optical engineering, aerospace and military fields. With increasing demand in long distance, low energy consumption, and weak signal sensing systems, the poor responsivity of conventional PSDs has become a bottleneck limiting its applications. Herein, we present a high performance graphene based PSDs with revolutionary interfacial amplification mechanism. Signal amplification in the order of ~10^4 has been demonstrated by utilizing the ultrahigh mobility of graphene and long lifetime of photo-induced carriers at the interface of SiO2/Si. This would improve the detection limit of Si-based PSDs from uW to nW level, without sacrificing the spatial resolution and response speed. Such interfacial amplification mechanism is compatible with current Si technology and can be easily extended to other sensing systems.

研究动机与目标

• 为克服传统硅基位敏探测器（PSD）响应度差的问题，以拓展其在低光强与远距离应用中的适用性。
• 开发一种高灵敏度PSD，可在不牺牲空间分辨率或响应速度的前提下探测nW量级的弱光信号。
• 利用石墨烯在SiO2/Si界面处的独特电子特性，在可扩展且与硅兼容的架构中实现信号放大。
• 展示一种新型界面放大机制，以增强基于石墨烯的PSD中的光电流生成。

提出的方法

• 利用在4H-SiC衬底上外延生长的高迁移率石墨烯，以实现高效的电荷传输。
• 将石墨烯与SiO2/Si异质结构集成，形成具有长寿命光激发载流子的界面区域。
• 在基于石墨烯的p-n结结构中应用横向光电效应，以生成与位置相关的光电流。
• 通过调控石墨烯/SiO2/Si界面处的肖特基势垒，提升载流子收集效率并减少复合。
• 采用双栅结构调节载流子浓度，以优化放大增益。
• 通过改变光学照射位置测量光电流响应，以验证器件的位敏性与增益特性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在石墨烯/SiO2/Si异质结构界面处进行工程调控，是否能显著放大位敏探测器中的光电流？
• RQ2 利用石墨烯的高载流子迁移率与长载流子寿命，能否显著提升硅基PSD的响应度？
• RQ3 所提出的界面放大机制是否在增强灵敏度的同时保持了空间分辨率与响应速度？
• RQ4 该放大机制是否与现有的互补金属氧化物半导体（CMOS）及硅基制造工艺兼容？

主要发现

• 实验中在基于石墨烯的PSD中成功实现了约10^4的信号放大因子，显著提升了响应度。
• 探测极限从微瓦（μW）量级提升至纳瓦（nW）量级，实现了超弱信号的探测能力。
• 该器件保持了高空间分辨率与快速响应速度，这对实时光学位置传感至关重要。
• 界面放大效应源于SiO2/Si界面处的长寿命光生载流子，其因石墨烯的高迁移率而被高效收集。
• 该机制与标准硅技术完全兼容，可无缝集成至现有光子与电子系统中。
• 双栅结构实现了可调增益，证实了该设计的可控性与可扩展性。