石墨烯等离激元增强的Si基阻挡杂质带复合结构探测器研究

Si-based blocked-impurity-band (BIB) detectors covering very long wave infrared (VLWIR) to terahertz (THz) band, have attracted extensive attention worldwide, for the application in the field of national security, strategic space optoelectronic technology, and life science. However, so far, the performance of Si-based BIB detector is largely limited by its low photoelectric response and high dark current. In this program, a novel graphene/Si-based BIB hybrid structure detector is proposed. Based on the simulation of graphene surface plasmon polariton (SPP) properties, we demonstrate how the different graphene patterns can control the optical field distribution, and obtain the photoresponse mechanism of the graphene SPP enhanced Si-based BIB hybrid structure; By optimizing the device structure, and reducing the thickness of the absorbing layer, the novel graphene/Si-based BIB hybrid structure reveals lower dark current and higher signal-to-noise ratio. Furthermore, the response wavelength of graphene/Si-based BIB hybrid structure detector is controlled by the resonant wavelength of graphene SPP. Therefore, by changing the gate voltage of graphene, the photoelectric response can be modulated from VLWIR to THz wavelength. This work provides a method to get high-performance VLWIR to THz photodectors and lays a foundation for the application of Si-based BIB detectors.

硅基阻挡杂质带的甚长波红外-太赫兹波段探测器件能满足国家安全、空间战略性光电技术以及生命科学等领域的应用需求，引起国际上的广泛关注。但是，存在着材料的光电响应率低与暗电流大制约器件性能的问题。本项目拟开展新型石墨烯/Si基阻挡杂质带（BIB）复合结构探测器件的研究，通过模拟石墨烯表面等离激元特性，探索多种石墨烯周期结构对光场分布的控制规律，揭示石墨烯等离激元增强的Si基BIB复合结构光响应机理；制备石墨烯/Si基BIB复合结构，利用石墨烯等离激元的增强效应，优化减薄Si基BIB材料的吸收层厚度，降低器件暗电流，提高器件光电响应的信噪比；进一步，通过石墨烯结构栅压的引入调控石墨烯等离激元的振荡频率，改变等离激元的共振增强耦合波段，实现探测器件在甚长波红外-太赫兹波段响应的可调，为最终实现满足与CMOS工艺兼容的高性能甚长波红外-太赫兹光探测器件提供基础。

项目的背景.甚长波红外至太赫兹波段光电探测技术由于涉及国家安全、天文观测、人体安检、无损探伤、质量监控等领域的应用，已经受到国内外科研工作者的极大关注。硅基阻挡杂质带（BIB）探测器可基于光电子技术实现对太赫兹辐射的探测，与传统太赫兹探测器相比，具有灵敏度高、阵列规模大、响应谱段宽等优势。但目前硅基 BIB 探测器受制于光电响应低、暗电流大的问题，难以满足甚长波红外至太赫兹波段高性能的应用需求，需通过提出新的物理机制和新的器件结构来解决器件应用的瓶颈。.主要研究内容.（1）石墨烯/Si基BIB复合结构的光电耦合机制与光电响应机理研究；（2）石墨烯/Si基BIB复合结构探测器件制备工艺与测试方法研究；（3）石墨烯材料对器件响应波段的调控研究；（4）石墨烯/Si基BIB结构的优化，提升器件信噪比。.重要结果、关键数据及其科学意义.（1）本项目揭示了石墨烯结构的等离激元与Si基BIB探测器形成复合结构的光电耦合增强的理论机理，国际上首次实现了吸收层薄、缺陷少、暗电流低的高性能石墨烯/硅基BIB探测器原型制备，掌握了具有自主知识产权的石墨烯/硅基BIB探测器的设计制备方法；.（2）通过多次的实验工艺探索，实现了在表面带有电极的外延材料上转移石墨烯，进而保证了石墨烯与电极的良好接触；攻克Si外延材料上的刻蚀工艺，优化关键工艺步骤参数，实现了在Si基BIB外延材料上制备出周期完整、形貌良好的石墨烯光栅结构；.（3）通过拉曼光谱仪、黑体测试系统、傅里叶光谱仪及暗电流测试系统等，实现了对器件综合性能的表征测试，获得石墨烯/硅基BIB探测器的黑体响应率为5.7A/W（-2V偏压下），高于传统硅基BIB探测器3倍以上。测得在石墨烯金属光栅周期结构调控下，石墨烯/硅基BIB器件的响应峰位由BIB器件原有的27μm向红外方向移动至18及14μm。测得石墨烯/硅基BIB探测器的暗电流在-3.5V~+3.3V偏压范围内，小于7×10-11A/cm2，与原有BIB器件相比，暗电流明显下降，揭示了石墨烯等离激元的光场调控有效地降低探测器件暗电流的新机理。.（4）综上所述，石墨烯/硅基BIB复合结构探测器具有暗电流低、响应率高、频段可调控等特性，最终实现了与CMOS工艺兼容的高性能甚长波红外-太赫兹光电探测的原型器件，为满足国家安全、空间战略性光电技术以及生命科学等领域的应用需求提供基础。