從近紅外（NIR）到短波紅外（SWIR）光譜的光電探測對于許多應用都非常重要。近年來，研究人員正在努力探索新興拓撲狄拉克半金屬（Dirac semimetal）材料在寬帶光電探測方面的潛力。

據麥姆斯咨詢報道，近日，德國卡爾斯魯厄理工學院（Karlsruhe Institute of Technology）的科研團隊在Advanced Sensor Research期刊上發表了以“Enhanced Broadband Photodetection with Geometry and Interface Engineered Nanocrystalline Graphite”為主題的論文。該論文的第一作者為Devang Parmar，通訊作者為Ralph Krupke。

這項研究探索了利用納米晶體石墨（NCG）在懸浮、窄縮結構中進行光電探測，以提高其光電探測性能。研究人員在懸浮和襯底支撐兩種NCG器件中都制備了領結形（bowtie）收縮結構，以實現精確比較。通過利用電場集中和熱隔離，與缺少這種收縮結構的襯底支撐NCG器件相比，懸浮窄縮結構器件的測熱輻射光響應提升了兩個數量級。在整個工作中，所提出的器件保持了從近紅外到短波紅外光譜的穩定光響應，同時通過增加NCG層厚度降低了工作電壓。

這項研究中的光電探測器采用兩種不同的配置制造，即具有領結形窄縮結構的懸浮和支撐的NCG器件。為了便于準確比較，研究人員在相同SiO2/Si襯底上共制備了四組懸浮和等量支撐的NCG光電探測器，如圖1a（光學顯微鏡圖）和圖1b（透視圖）所示。比較懸浮與支撐器件，懸浮NCG結構的拉曼（Raman）信號強度明顯高于支撐NCG結構，這是因為拉曼散射光優先輻射到光學致密的SiO2/Si襯底介質中。圖2a顯示了襯底支撐和懸浮器件的電阻R與施加偏置電壓V的關系。

圖1 NCG器件的微觀表征

圖2 NCG器件的電學和拉曼特性

簡單來講，通過將寬帶超連續激光源發出的光送入聲光可調濾波器（AOTF），可以產生1100 nm ~ 2100 nm的穩定功率譜。每個波長焦點的微調是通過二維短波紅外相機最小化激光光斑的調整實現的。通過這種焦點校正，研究人員對每個波長的目標區域進行了連續光電流掃描。光電流信號由可調偏置的低噪聲電流前置放大器（SR570）放大，光電流信號的幅值和相位由鎖相放大器記錄。研究人員還討論了具有懸浮收縮結構器件的測量結果（如圖4），并將其與具有襯底支撐的器件進行了比較（如圖3）。

圖3 襯底支撐收縮器件的掃描光電流成像

圖4 懸浮收縮器件的掃描光電流成像

在暗電流測量和測熱輻射光電流測量中，與暗電流方向相同的光致電流流動產生零相位信號，而相反方向的光電流可產生180°相位信號。因此，研究人員可以通過相位圖直接推斷出光電流的方向，如圖5所示。

圖5 利用相敏測量確定光電流

最后，研究人員根據圖3和圖4中心的測熱輻射光電流來量化器件的響應率。對其光電流響應性和光譜進行了分析，結果如圖6所示。

圖6 光電流響應率和光譜分析

綜上所述，這項研究使用NCG作為光吸收材料的好處在于，其厚度可以在晶圓尺度上調整，以實現在近紅外到短波紅外波段的穩定吸收。此外，該材料與CMOS工藝相兼容，可以通過干法和濕法蝕刻工藝橫向成形并獨立制備。這樣便能夠制備具有厚度可調吸收率的獨立式領結形收縮結構，并且與襯底支撐器件相比，由于懸浮收縮器件的熱化程度降低了一個數量級，因此器件的響應率和探測率得到了顯著提升。未來，通過晶粒尺寸和晶界工程來降低材料的電阻率，以及通過在空氣間隙底部添加反射涂層來進一步增加光吸收，所提出器件的性能有望得到進一步提升。

審核編輯：劉清