具有更宽检测带宽的石墨烯电荷注入光电探测器

光电探测器是可以检测光或其他形式的电磁辐射的传感器，是市场上成像工具、通信系统和各种其他技术的重要组成部分。这些传感器通过将光子(即光粒子)转换为电流来工作。

浙江大学的研究人员最近开发了一种新的光电探测器，可以探测更宽带宽内的光。他们的设备发表在NatureElectronics上的一篇论文中，可用于开发新的和更先进的成像技术。

“我们最近的项目基于传统的电荷耦合器件(CCD)和互补金属氧化物半导体(CMOS)成像技术，”进行这项研究的研究人员之一杨旭教授告诉TechXplore。“我们的新型成像设备结合了CCD的高灵敏度MOS光电门和CMOS的独立像素结构，可以显着改善单片集成、性能和读出。”

通常，基于硅(Si)的CCD和CMOS成像器由于其固有的带隙吸收限制，只能检测可见光范围内的光。徐和他的同事们通过将石墨烯加入其中，从而拓宽了他们的光电探测器可以接收到的光的带宽。

“我们的目标是提高硅基图像传感器的响应度和光谱性能，”徐解释说。“首先，我们在Si和多层石墨烯(MLG)之间形成了肖特基结，其中MLG中的IR光诱导热空穴在Vg的电场下通过光热电子(PTI)注入Si(n型))发射。其次，我们在电压脉冲下在SiO2/Si界面形成了一个深耗尽阱，存储并整合了光电荷。

最终，研究人员将单层石墨烯(SLG)放置在他们设备中的氧化物之上。该层最终允许光电探测器通过由石墨烯的强场引起的光电门效应直接且非破坏性地读出存储在深耗尽阱中的载流子。

“我们提出的器件的设计实现了深度耗尽势阱中电荷的原位像素级读出，避免了传统CCD器件中的顺序电荷转移，”徐说。“此外，我们通过在设备底部集成MLG电荷注入路径，将检测带宽扩大到IR。”

在最初的测试中，Xu和他的同事发现他们的光电探测器的探测带宽比传统的硅基设备宽得多，传统的硅基设备通常只探测可见波长的光。由于它集成了读出通道SLG、Si基深耗尽阱和电荷注入层(MLG)，因此该器件对于具有高密度集成的成像应用特别有价值。

“我们的论文解决了两个关键问题，通过用直接读出代替顺序电荷转移，简化了架构和数据处理，同时还通过红外电荷注入扩大了对IR的响应范围，”Xu说。“我还要感谢我们的合作者高超教授、段翔峰教授、王晓木教授、TawfiqueHasan教授、孙志培教授和余斌教授做出的重大贡献。”

未来，这组研究人员开发的光电探测器可用于开发用于宽带图像融合、计算机视觉、机器人和其他各种应用的成像设备。在他们的论文中，徐和他的同事还简要概述了一系列设计电路的建议，这些建议可以使他们的设备与新技术或现有技术集成。

“在我们接下来的研究中，我们将更深入地关注我们设备的集成，”徐补充道。“我们的设备可以通过在势阱中存储光诱导载流子来执行像素信息存储功能。这与可调响应性相结合，可能对构建神经形态设备具有潜在价值。”

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