倍增石墨烯异质结光电探测性能

　　作为二维材料的代表，石墨烯由于具有一系列独特光电性质，如零带隙能带结构、宽光谱吸收范围、低电阻率、常温高电子迁移率以及量子霍尔效应等，在新型光电子器件应用方面引起了研究人员的广泛关注，特别在光子集成、超宽谱、超快、非制冷和柔性光电探测器方面，展现出极大的应用潜力。
　　石墨烯领域专家、诺贝尔奖获得者Novoselov教授在2012年撰写的石墨烯发展路线图中，也将石墨烯光电探测器列为今后石墨烯应用的重要方向。
　　在发展的众多石墨烯光电探测器结构中（场效应管（FET）型、金属-半导体-金属（MSM）型和异质结型），异质结型器件除了具有工艺简单和易于与硅光子集成的优势外，还可实现与最先进硅基PIN器件相当的探测能力，因而被视为是最具应用前景的一种光电探测结构。其典型结构和工作原理如图1所示，该器件由石墨烯层和硅衬底构成典型的肖特基异质结，石墨烯则充当透明导电电极的作用。
　　图1 石墨烯/硅异质结光电探测器结构及工作原理示意
　　然而，受限于硅材料本身有限光子吸收率，该异质结光电探测性能仍有待进一步提高，特别是在应用需求较大的紫外区域。为了获得超越传统硅基器件的实用性，引入额外的光电倍增机制显得尤为重要。此外，由于当前常用的石墨烯湿法转移技术，所制备的异质结界面通常存在较多的缺陷态，这又极大地限制了该型探测结构的暗电流抑制和探测度的提升。因而，有效的界面钝化也显得十分重要。
　　在半导体器件中实现光电倍增，隧穿过程产生的碰撞电离效应是容易联想到的实现光生载流子倍增的一条有效途径。当然，异质结界面处具有较大带隙宽度的隧穿层还可以有效抑制了热噪声电流（暗电流）的产生，进一步提升器件的探测度。
　　不过，如何筛选可行的隧穿介质层，兼顾碰撞电离效率和光生载流子输运，从而达到上述一石二鸟的应用效果仍是一个较大的挑战。当前在肖特基结光电探测器研究中，利用宽带隙半导体或绝缘材料的插入，获取暗电流的显著抑制方面，尽管已获得了较多的研究，但在同步实现隧穿、并产生碰撞电离倍增方面，尚未有深入的报道。
　　针对这一挑战，近日，来自厦门大学康俊勇教授团队的尹君副教授、李静教授和学生，设计、构筑了以宽禁带半导体材料氮化铝（AlN）为隧穿和倍增介质的新型石墨烯/硅异质结光电探测结构，借助于特殊的载流子输运过程，在器件上实现了紫外至中红外波段宽光电探测性能的显著提升；并利用理论模型对其隧穿倍增机制做了深入分析。
　　图源：课题组
　　该成果以 Engineered tunneling layer with enhanced impact ionization for detection improvement in graphene/silicon heterojunction photodetectors 为题发表在 Light: Science & Applications 。
　　从异质结能带角度来看，宽带隙的半导体材料作为隧穿层可实现暗电流的有效抑制。然而，矛盾的是，较厚的隧穿层厚度将使得隧穿几率大幅度降低，过薄的隧穿层厚度又使得离子碰撞的倍增过程受到抑制，不利于光响应度的提升。
　　考虑到既有利于隧穿过程，又能满足暗电流的抑制，研究者选择了原子层沉积（ALD）生长的氮化铝（AlN）薄膜层作为隧穿介质，以期利用其中富含若干种缺陷的AlN薄膜促进载流子的有效隧穿，而具有一定厚度的介质层则可以促进载流子的倍增过程。
　　在器件制备方面，考虑到器件结构的实用性，研究者以四英寸的N型硅为衬底，通过ALD薄膜生长和大面积石墨烯湿法转移，成功构筑了晶圆级的石墨烯/AlN/硅异质结光电探测器，如图2所示。测试结果表明，该ALD生长的AlN薄膜呈现出多晶的形态，XPS表征也证实其中富含氧原子（O）相关的缺陷（氧氮替换缺陷ON）和ALD生长过程中常出现的VAl空位缺陷。
　　图2 石墨烯/AlN/硅新型隧穿异质结光电探测器结构、芯片照片及异质界面形貌
　　通过对器件的电流-电压光照响应测试发现，当AlN薄膜的厚度在~15 nm时，器件在一定的负偏压（-10V）下达到了显著的光响应电流增加，同时暗电流也几乎有一个数量级的下降。在-10V的反向偏压下，器件在850 nm光照射下峰值光响应度达到了3.96 A W-1，光增益为~5.8；在紫外365 nm紫外光照射下，获得了1.03 A W-1的光响应度和~3.5的光增益。相较于传统石墨烯/硅异质结器件和典型的商用硅基PIN光电探测器，该新型结构的探测器性能在宽光谱范围内均达到了显著的提升，如图3a所示。
　　图3 石墨烯/AlN/硅隧穿异质结光电探测性能评估（与传统石墨烯/硅异质结及商业化硅PIN器件对比），以及器件工作原理示意图
　　为了理清该光电探测性能的提升机制，作者对其能带结构进行了分析。结合理论仿真，发现器件在引入该隧穿层后，石墨烯-硅之间的能带结构发生了变化：宽带隙的隧穿层较高的肖特基势垒显著抑制了暗电流的产生；而在光照条件时，异质结内部较大的电场（MV cm-1量级）使得硅材料产生的少子可有效隧穿通过，即产生光电流。这里，富含缺陷位点的AlN材料促使光生载流子能够通过特殊的缺陷辅助隧穿机制，在具有一定薄膜厚度的情况下依然能够保障载流子的有效输运。在此条件下，隧穿载流子碰撞电离产生的额外倍增显著提升了器件的光探测响应。
　　由于石墨烯的特殊能带结构，如图3b所示，石墨烯在光照下产生的热载流子（Hot carriers）也被认为参与了该隧穿倍增过程。在高电场驱动下，来自石墨烯的热载流子可以很容易地克服AlN隧穿层势垒，在隧穿的过程中产生额外的碰撞电离。通过制备传统薄层透明金属电极的器件作为对比，实验结果证实了该设想，即石墨烯/AlN/硅新型光电探测结构可获得更高的光电性能增强（相较于各自无隧穿层时的情况）。显然，石墨烯热载流子贡献的倍增效应，进一步提升了石墨烯基器件的额外光响应。
　　为了验证这种隧穿-倍增机制的普适性，研究者还尝试了其他常用的界面钝化材料，如自然氧化的SiO2和ALD生长制备的Al2O3。实验结果表明，这三种绝缘材料在其各自优化的厚度（AlN、Al2O3和SiO2分别为15.3 nm、5.0 nm和1.4 nm）情况下均可以实现暗电流的显著抑制（在-10V偏压下约两个数量级的降低），如图4所示。从反向偏压区的光电流响应曲线可以看出，所有材料的隧穿结构也均表现出一定的光电流倍增效应。其中，AlN隧穿层实现了最佳的光响应和电流增强，其次是 Al2O3和SiO2。
　　图4 三种不同绝缘隧穿材料的光响应增强特性对比(AlN，Al2O3, SiO2)
　　对于Al2O3薄膜，由于较大的带隙形成了隧穿势垒，以及ALD制备过程中相对较少的缺陷态，该材料在倍增增强应用时所需的厚度相对较小。而对于衬底表面原位氧化的SiO2薄膜，其理想的致密性和绝缘性使得器件仅需更小的纳米级（小于2nm）临界厚度。对于这两种介质材料，有限的厚度大大降低了隧穿过程中碰撞电离的可能性，因此光电流倍增效果并不突出。由此可见，隧穿层的带隙和特殊材料质量，对于获得显著的光电倍增性能至关重要。
　　光电探测是电子设备对周围环境信息感知的重要渠道，高性能、低功耗的光电传感芯片在智能化设备领域具有广泛的应用需求。该工作发展了一种异质结能带工程新策略，实现了石墨烯异质结光电探测器光响应度和探测度明显增强的协同效应。考虑到工艺简单、性能提升显著和硅基可集成性，这种石墨烯/硅隧道异质结光电探测器在通信和智能传感等方面显示出巨大的应用潜力。
　　论文信息
　　Yin, J., Liu, L., Zang, Y. et al. Engineered tunneling layer with enhanced impact ionization for detection improvement in graphene/silicon heterojunction photodetectors. Light Sci Appl 10, 113 (2021).
　　本文第一作者为厦门大学尹君副教授，论文主要实验工作由学生刘恋完成，通讯作者为尹君副教授、李静教授，理论分析部分得到了康俊勇教授的深入指导。
　　论文地址
　　https://doi.org/10.1038/s41377-021-00553-2