由无序金纳米结构增强的石墨烯近红外探测器

石墨烯的狄拉克能带让它同时具备高载流子迁移率、超宽光谱响应与电可调的光电性质，被视为近红外探测的理想材料平台，晶圆级生长与转移的成熟又为大规模阵列铺了路。但它只有原子层厚，对光的吸收仅约2.3%，远低于体半导体；载流子寿命又短，光生载流子来不及分离收集，响应度因此被压得很低。等离激元纳米结构是公认的补救办法，能把光场压缩到深亚波长尺度、增强局域电磁场。可要让共振落在短波红外，通常得用电子束光刻一类高分辨工艺刻出精确的亚波长图形，成本高、良率低、有源面积还被限制住。领域真正需要的，是一种不依赖高分辨光刻、又能覆盖整个近红外波段的增强方案。

据麦姆斯咨询报道，近日，苏州大学、华南师范大学与盐城工业职业技术学院的研究团队提出一种由无序金纳米结构增强的石墨烯近红外探测器，避开了高分辨纳米光刻。器件在硅衬底上以化学气相沉积单层石墨烯为沟道、钛/金为电极，沟道中央刻出直径14 μm的圆形窗口，在其中以电子束蒸发沉积名义厚度10 nm的超薄金膜；由于厚度接近渗流阈值，金在石墨烯表面自组织成核生长，形成部分互连、边界不规则、留有纳米间隙的无序纳米结构。这些结构在1200-1600 nm均有可重复的光响应，最大电压响应度约20 mV/W；1550 nm下光电流随入射功率线性增长，1310 nm处上升与下降时间分别为0.36与0.42 ms。空间分辨光电流成像与光照下的转移特性表明，金覆盖区与未覆盖区之间因局部费米能级差形成内建电势，两侧边界的光电流极性相反，这是零偏压输运的驱动力。研究团队将其归因于等离激元诱导的热载流子从金注入石墨烯。研究成果以“Near-infrared graphene photodetector enabled by plasmonic hot carrier injection from disordered percolated gold nanostructures”为题发表在Nanotechnology期刊上。

器件结构与免光刻制备

石墨烯近红外探测器结构为硅片上长300 nm二氧化硅作绝缘层，化学气相沉积的单层石墨烯铺成约30×30 μm²的沟道，两端用5 nm钛加40 nm金做电极，源漏之间不加任何额外偏置。增强结构只出现在沟道正中一块直径14 μm的圆形区域里，先用负性光刻胶开出窗口，再以电子束蒸发沉积名义厚度10 nm的超薄金膜，沉积速率0.5 Å/s，衬底不额外加热。厚度逼近渗流阈值时，金不会长成连续薄膜，而是在石墨烯表面自组织成核、长大，互相部分连接又留下大量纳米级空隙。制备工艺不涉及电子束光刻或任何高分辨图形化，图形只靠一次普通紫外光刻定义窗口，相关结构与工艺如图1所示。

图1 石墨烯近红外探测器的结构、免光刻制备工艺

研究团队对该石墨烯近红外探测器进行吸收测试，该器件在1200~1600 nm的吸收超过40%，仿真结果与之吻合；相比较而言，仅石墨烯裸器件而言，吸收仅约2.3%。正因为无序结构的尺寸、边界与间隙处处不同，各自的共振条件离散又相互交叠，谱线被摊宽，宽带响应由此而来，而不是某个周期结构给出的窄峰，相关形貌与场分布如图2所示。

图2 无序金纳米结构的扫描电镜形貌与1310、1450、1550 nm的电场增强分布

器件光电性能

研究团队对该石墨烯近红外探测器性能测试全部在零源漏偏压、室温大气环境下完成。时间响应曲线显示，无序金纳米结构的器件在1200-1600 nm保持宽带响应，峰值约20 mV/W，对照器件则几乎测不出响应，相关结果如图3所示。

图3 石墨烯近红外探测器在1200~1600 nm的零偏压光响应、电压响应度谱、功率线性与瞬态响应

器件相应机理

石墨烯近红外探测器在1500 nm、零偏压下25×25 μm²、步长1 μm的光电流成像，信号几乎只出现在金覆盖区的左右两条边缘，且两侧极性相反；圆形区域中心则几乎没有净光电流。这与“边界处存在内建电势”的判断一致，金覆盖改变了下方石墨烯的费米能级，覆盖区与未覆盖区之间因此出现局部费米能级差，相关测试结果如图4所示。没有金结构的器件在1500 nm光照下，转移曲线几乎纹丝不动，说明裸石墨烯在这一波段的本征响应很弱；而带金结构的器件，转移曲线随光功率增大持续向低栅压方向平移，狄拉克点从暗态到4.01 mW移动约−3.47 V，平均速率约−0.87 V/mW，意味着电子浓度升高。

图4 光电流的空间分布、光照下的转移特性，以及热载流子注入与反向光电流的机理示意

科普小知识：等离激元热载流子注入，是怎么把光变成电的？

金属里的自由电子集体振荡，就是等离激元。光打到金纳米结构上，若频率对上，电磁场会把电子云推来推去，能量在结构表面高度集中，这就是常说的“热点”。等离激元本身寿命极短，很快通过非辐射途径衰变，把能量交给个别电子，把它们抬到远高于费米能级的位置，成为“热载流子”。这些高能电子若能越过金属与石墨烯的界面，就注入进去，改变对方的载流子浓度与费米能级。整条链路是“光→等离激元→热电子→电流”，不靠半导体自身跨禁带吸收，所以对波长不挑，宽带响应是它的天然属性。代价是注入效率通常不高，响应度难与优化过的光电二极管相比。

近红外光激发无序金结构，等离激元非辐射衰变产生的热载流子越过界面注入石墨烯，抬高金覆盖区的费米能级；覆盖区与未覆盖区之间因此出现电势差，驱动载流子输运、形成光电流，相关机理如图4d、图4e所示。结果同时解释了光电流成像为何只在边界出现、且左右反号，也解释了为何必须边缘照明才能读到信号。研究团队也如实指出，光热、光热电、吸附物与接触相关的效应可能同样有贡献，热载流子注入是其中被多项证据支持的重要一项。

总结

综上所述，这项研究提出的无序渗流金纳米结构增强石墨烯近红外探测器，用一层自组织生长的超薄金膜替代了昂贵的亚波长图形，在1200~1600 nm实现超过40%的吸收与零偏压宽带响应。该工作为低成本、可规模化的石墨烯近红外探测提供了一条绕开高分辨光刻的路径。研究团队也坦言，当前响应度仍低于优化过的先进等离激元石墨烯探测器，进一步优化金结构的形貌、密度与空间分布，以及沟道与接触几何、有源区不对称性，有望提升响应度并拓展光谱可调性。

论文链接：https://doi.org/10.1088/1361-6528/aeb4c1