ACS Applied Materials & Interfaces：集成多层石墨烯的超宽带硅基红外探测器

研究背景

硅基光电探测器凭借 CMOS 兼容性与低成本，在现代成像与传感系统中占据主导地位，但其光谱响应受到硅本征带隙的根本性限制，高效响应主要局限在可见光波段。黑硅（引入杂质能级）、锗硅合金等能带工程手段虽可将响应延伸至近红外，却对中波、长波红外探测基本无效——这些波段的光子能量低于硅基材料及其异质结构的吸收阈值；而所需的掺杂与异质外延工艺又不可避免地引入缺陷与复合中心，阻碍低能载流子的产生与收集，使硅基器件难以实现超宽带响应。

石墨烯因独特的能带结构、出色的宽带吸收能力与优异的载流子迁移率，成为宽带光电探测的理想材料；随着晶圆级 CVD 石墨烯制备技术的进步，将石墨烯与硅集成已成为拓展硅基探测器响应范围的重要途径。然而，单层石墨烯（SLG）的本征光吸收仅约 2.3%，光生载流子产额低，异质结响应仍主要依赖传统半导体，石墨烯固有的宽带吸收潜力未被充分利用。采用逐层转移法制备多层石墨烯虽能显著提升光吸收，但转移过程中引入的聚合物残留会形成层间缺陷与电荷陷阱，严重阻碍载流子输运，进而恶化对低能红外光子的响应。

成果简介

针对上述难题，中国科学院重庆绿色智能技术研究院 魏兴战 研究员 团队提出了一种集成多层石墨烯（MLG）的硅基超宽带红外探测器。研究采用 CVD 直接生长 MLG，并结合协同刻蚀方法，构筑出界面洁净、缺陷极少的 MLG-Si 异质结，从而同时实现增强的光吸收与高效的光生载流子收集。器件在 635 nm 至 8 μm 的宽光谱范围内均表现出优异的灵敏度与快速响应：在 1550 nm 下，噪声等效功率（NEP）为 7.36×10⁻¹¹ W/Hz¹ᐟ²，比探测率（D*）达 1.36×10⁹ Jones，上升与下降时间分别为 6 μs 和 5.7 μs。

器件构筑于轻掺杂 n 型硅衬底上，表面以热氧化 SiO₂ 层钝化以抑制漏电，氧化层中的接触窗口界定出光敏区并由 MLG 覆盖。MLG 功函数约 4.5–4.9 eV，n 型硅约 4.05 eV，二者接触后发生能带对齐与电荷转移，形成由硅指向 MLG 的内建电场及耗尽区。在硅带隙以上的可见光区，MLG 与硅共同吸收并产生载流子，光电流主要由硅吸收主导；在红外区，MLG 成为主要吸收体：当光子能量高于 MLG-Si 势垒高度（Φ_B）时，光生载流子被内建电场直接扫过势垒形成光电流；当光子能量低于势垒高度时，被吸收的能量在 MLG 电子系统中热化形成非平衡费米—狄拉克分布，能量高于 Φ_B 的热电子越过势垒，由光热电效应贡献光电流。层数越多，MLG 吸收率与热容越高，红外光电流也越大。

图1 MLG-Si 异质结器件的工作机制。(a) 器件三维结构示意图；(b) (a) 中虚线区域的截面图，示出耗尽区与内建电场 E_b；(c–e) 不同入射光子能量（hv）下器件的光响应机制。

器件制备依次包括：在氧化硅衬底上光刻定义顶电极并蒸镀 Cr/Au（3 nm/50 nm）后剥离；光刻图形化接触窗口区域，采用干法与湿法刻蚀去除氧化硅打开接触窗口；通过 PMMA 辅助湿法转移构筑 MLG-Si 异质结；最后用光刻与氧等离子体刻蚀对 MLG 图形化并沉积背电极。光学显微图显示器件结构完整、表面洁净；拉曼光谱出现 521 cm⁻¹ 硅峰以及 1582 cm⁻¹、2700 cm⁻¹ 石墨烯峰，且 I_G/I_2D > 1，符合多层石墨烯特征；AFM 表明石墨烯表面平整、结晶质量高，厚度约 6.7 nm（对应约 20 层）。

图2 MLG-Si 器件的制备与表征。(a) 工艺流程示意图；(b) 器件光学显微图；(c) MLG 的拉曼光谱；(d) MLG 的 AFM 形貌图。

在 635 nm 与 1550 nm 照射下，器件均呈现清晰的整流特性，光电流随入射光功率增大而升高。光电流随偏压增大而增大，但在 1550 nm 下比 635 nm 下更易饱和：可见光区硅持续吸收透过 MLG 的光子，增大偏压可拓宽耗尽区、提升载流子收集；而 1550 nm 下吸收主要发生在 MLG，态密度有限、有效吸收区更薄，载流子在偏压下更早耗尽，导致更低偏压即饱和，证实 MLG 为异质结中的主要红外吸收体。零偏下器件具有清晰的周期开关响应与高开关比：在 0.826 mW/cm² 时暗电流 9×10⁻¹¹ A、光电流 1.3×10⁻⁶ A，开关比达 10⁴。光电流按 I=βPᵅ 拟合，0 V 时 α=0.44（窄耗尽区限制收集，呈亚线性），随反偏增大耗尽区展宽、载流子抽取改善，−1 V 时 α 提升至 0.92。器件呈 1/f 噪声，噪声幅度随偏压升高而缓增；基于响应度与噪声数据得到上述 NEP 与 D*。垂直 MLG-Si 结的低噪声特性，为通过增加石墨烯层数提升响应度、同时不显著恶化噪声、进而提高探测率提供了直接路径。

图3 MLG-Si 探测器的光响应性能。(a, b) 635 nm 与 1550 nm 照射下的 I–V 曲线；(c) 不同偏压下的光电流（误差棒基于 4 个相同器件）；(d) 零偏下的时间响应；(e) 光电流与 (f) 响应度随光功率密度的变化；(g) 噪声谱、(h) NEP 与 (i) 比探测率 D*。

与单层对照器件相比，MLG-Si 器件的光电流显著更高，而暗电流仅小幅增加，因而开关比大幅提升，直观证明额外石墨烯层带来的探测性能优势。采用热电子发射模型 I₀=AA·T²·exp(−Φ_B/kT) 评估肖特基势垒，由 ln(I)–V 拟合得到 MLG-Si 与 SLG-Si 的反向饱和电流分别约为 1.84×10⁻⁷ A 与 1.00×10⁻⁸ A，表明 MLG-Si 势垒更低——MLG 不仅增强红外吸收，还通过改变有效功函数降低肖特基势垒、改善界面载流子输运。在 1.55 μm、2.7 μm 和 8 μm 下，MLG-Si 光电流均明显高于 SLG-Si：1.55 μm 处约高一个数量级，随波长增大增强因子减小（源于不同光子能量下机制差异）。值得注意的是，即便 SLG-Si 结在 1.55–8 μm 也能给出明确红外响应，凸显了界面质量对实现宽带探测的关键作用。

图4 MLG-Si 与 SLG-Si 器件的性能对比。(a) 1550 nm 照射下的 I–V 曲线；(b) 开关比随偏压的变化；(c) ln(I_dark)–电压拟合曲线；(d–f) 分别在 1.55 μm、2.7 μm 和 8 μm 下的 I–t 响应。

在 1550 nm 光开关下，器件呈现明显的频率依赖：低频时输出为规整方波，随调制频率升高，器件无法跟随快速开关，方波边沿变缓并逐渐演化为三角波。由频率响应得到约 2.5 kHz 的 3 dB 带宽。上升/下降时间随反偏显著缩短：0 V 时为 360 μs/160 μs，−1 V 时为 8 μs/8.9 μs，−5 V 时进一步缩短至 6 μs/5.7 μs。部分 I–t 曲线在光照后出现尖峰，源于异质结界面处光生载流子快速俘获与释放引起的瞬态电流过冲。相比已报道的 SLG-Si 或双层石墨烯（BLG）-Si 器件，本工作在保持相当响应速度的同时实现了更宽的响应范围。

图5 MLG-Si 器件的响应速度表征。(a) 测试装置示意图；(b) 不同激光调制频率下的归一化 I–t 响应；(c) 光电流随调制频率的变化；(d–f) 分别在 0 V、−1 V、−5 V 偏压下的上升/下降时间。

总结展望

本工作设计并制备了基于 CVD 多层石墨烯与硅集成的范德华异质结光电探测器。CVD 一步生长直接获得厚度可控的石墨烯薄膜，避免了逐层组装带来的层间污染与转移缺陷；结合协同刻蚀有效抑制界面缺陷，实现了光吸收与载流子输运的协同优化。器件在从可见到长波红外的宽光谱范围内展现出优异光响应与微秒级响应速度。该混合集成策略为新型宽带红外探测芯片提供了可行路径，有望推动下一代硅基红外光电探测技术与片上光电系统的发展。未来可通过进一步增加石墨烯层数，或引入光陷阱结构与表面等离激元来增强光生载流子产额，并结合变温 I–V 测试精确评估异质结界面，以持续提升器件性能。

文献链接

https://doi.org/10.1021/acsami.6c03386

Ultrabroadband Silicon-Based Infrared Detectors by Integrating with Multilayer Graphene