石墨烯独特的光热电（PTE）效应，加之其与片上（on-chip）制造的兼容性，有望在具有超低暗电流和超快速度的芯片集成光电探测器中得到发展。此前，片上石墨烯光电探测器设计需要外部偏置电压或栅极电压来分离光电载流子，这导致了功耗增加和电路复杂化。
据麦姆斯咨询报道，西北工业大学、芬兰阿尔托大学（Aalto University）、西安电子科技大学和中国科学院西安光学精密机械研究所的研究团队展示了基于硅光子晶体（PC）波导的非易失性石墨烯p-i-n同质结，该结构可实现基于PTE的光电探测，而无需偏置电压或栅极电压。通过将空气开槽光子晶体波导设计为两个独立的硅背栅，并采用具有残余极化场的铁电介质，实现了具有明显塞贝克系数梯度的非易失性p-i-n同质结。由波导消逝场吸收产生的石墨烯通道中的热载流子，可通过非易失性p-i-n同质结有效分离，从而产生显著光电流。凭借零偏压和零栅极电压，集成在光波导上的非易失性石墨烯p-i-n同质结光电探测器在1560-1630 nm波段表现出高达193 mA W⁻¹的响应度，并测得17 GHz的超快动态带宽。借助高性能片上光电探测，直接在硅光子电路上构建的非易失性石墨烯同质结，有望实现光电突触、内存传感和计算以及类脑计算的扩展片上功能。这项研究以“On-chip graphene photodetectors with a nonvolatile p–i–n homojunction”为题发表在Light: Science & Applications期刊上。
这项研究介绍了通过在石墨烯通道上配置非易失性p-i-n同质结来实现芯片集成的石墨烯PTE光电探测器，而无需保持栅极电压，该光电探测器示意图如图1所示。研究人员对该非易失性石墨烯p-i-n同质结光电探测器的电学特性进行了表征。
图1 波导集成的非易失性石墨烯p-i-n同质结光电探测器示意图
为了进一步证明非易失性和可重构石墨烯p-i-n（n-i-p）同质结及其基于PTE效应的光电探测能力，研究人员利用聚焦激光束（直径2 μm）正常照射来测量其空间分辨光电流。
集成在光子晶体波导上实现的非易失性石墨烯p-i-n同质结有望支持高性能片上光电探测。研究人员通过波导末端的光栅耦合器将光耦合到光子晶体波导中，利用1620 nm激光器作为光源，测量了该器件的稳态光响应。
利用石墨烯的零带隙，波导集成非易失性石墨烯p-i-n同质结光电探测器可以吸收宽光谱范围内的光。研究人员评估了该器件在零偏置电压下的波长依赖性和高速光响应。
综上所述，这项研究证明了直接在硅光子晶体波导上构建非易失性石墨烯p-i-n同质结，可用于高性能光电探测。集成到硅波导中的非易失性石墨烯p-i-n同质结也可用于各类片上光电器件，例如光电突触、内存传感和计算、类脑计算等。未来，该探测器大规模集成的潜力为推进基于人工神经网络的智能传感系统提供巨大发展前景。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41377-025-01832-y
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