2024年11月14日
星期四
单晶硅由于其成本较低、制造工艺成熟、高的载流子迁移率以及长期稳定性等特点是一种理想的光敏感材料，然而相对于紫外光，传统的硅基光电探测器对于可见和近红外光辐射往往表现出更强的灵敏度。为了实现紫外光检测，硅基光电探测器通常需要配置滤光片以阻挡可见和近红外光子，这无疑会增加器件制造成本和复杂性。
近日，合肥工业大学微电子学院先进半导体器件与光电集成实验室利用纳米加工的方法制备出直径约为45纳米的硅纳米线阵列结构，并利用单层石墨烯作为透明顶电极，获得了一种基于石墨烯/小尺寸硅纳米线阵列结构的自驱动紫外光电探测器。器件分析表明，该器件对紫外光较为敏感，但对可见光和红外光等其他入射光却不敏感，典型的抑制比为25（图1）。另外，该器件365 nm光照下的响应度、比探测率和外部量子效率分别估计为0.151 A/W、1.37×1012Jones和62%，与其它基于宽禁带半导体的光电探测器相比性能相当甚至更好。这种反常的光电特性通过解析麦克斯韦方程发现与HE1m泄漏模式共振（LMR）有关，它能够对各种材料的纳米线结构的吸收光谱进行调节。另外，这种LMR高度依赖于纳米线阵列的直径和周期而对纳米线长度与光的入射角度不敏感（图2）。这些结果表明，窄带隙半导体纳米线结构同样可以构建紫外光电探测器，这对于各种光电子器件和系统都非常重要。
图1.石墨烯/硅纳米线阵列器件的光谱响应，EQE以及探测率
图2.采用FEM方法对硅纳米线阵列吸收的相关模拟
该工作以“Leaky Mode Resonance-Induced Sensitive Ultraviolet Photodetector Composed of Graphene/Small Diameter Silicon Nanowire Array Heterojunctions”为题发表在国际著名学术期刊ACS Nano, 2021, 15, 16729-16737。合肥工业大学微电子学院2019级硕士生王俊杰同学为论文的第一作者，论文工作得到国家自然科学基金、中央高校基础研究基金以及安徽省先进功能材料与器件实验室开放基金资助。
论文链接https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.1c06705
（李建设/文 李建设/图 赵金华/审核）
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