浙大徐杨教授、高超教授等团队《Nat. Electron.》：石墨烯/硅室温宽光谱光电探测器

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研究背景

图像传感器是把光学图像信息转换成电信号的智能感知器件，结合5G技术，其可广泛应用在面部识别、安防监控、环境勘探与监测、增强与虚拟现实（AR/VR）、自动驾驶、医疗检查和国防预警等领域。随着技术的不断发展，应用场景对图像信息的质量及容量的要求越来越高。目前，国家重大装备需要的光谱成像、物质分析、空间探测等领域的高精密传感器大都被日本、美国、欧洲等西方国家垄断，长期受到禁运影响。
基于光电效应的主流图像传感器分为电荷耦合器件（Charge Coupled Device, CCD）与互补型金属氧化物半导体（CMOS）图像传感器两种，但两者的探测范围都受限于半导体带隙。石墨烯等新型二维材料的出现为新型宽光谱图像传感器的研究提供了新的思路，结合石墨烯超快的电子-电子散射与硅基技术的低噪声、低成本等优势，有望实现室温高灵敏宽光谱探测，突破西方技术封锁。但单层石墨烯低的光吸收使得其未能突破半导体带隙对响应波长的限制，为此如何实现新型材料与硅的有效集成，综合两者优势，突破硅基光电探测器响应极限，实现高性能宽光谱光电探测，是学术界和产业界共同关注的问题。
在浙江大学交叉创新思想长期引导下，浙江大学微纳电子学院徐杨教授团队、高分子系高超教授及国内外相关团队长期合作，从新材料创新入手，整合CCD和CMOS光电器件架构优势，将硅与单层石墨烯、体相石墨烯膜集成为电荷注入型光电器件，突破硅基器件红外探测极限，初步解决了超宽光谱室温探测的科学难题。 

成果出处

该成果以“Graphene charge-injection photodetectors”为题发表在国际顶级期刊Nature Electronics上。浙江大学刘威博士、吕建杭博士、彭蠡博士、郭宏伟博士为论文第一作者；浙江大学徐杨教授、高超教授、俞滨教授、南京大学王肖沐教授、UCLA段镶锋教授为共同通讯作者；得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中央高校基本科研专项资金、浙江省自然科学基金等项目资助。 
阵列器件效果图
主要内容及亮点：
石墨烯电荷注入型光电探测器(GCI)通过将读出通道 (单层石墨烯，SLG)、深耗尽阱(硅，Si) 和电荷注入层(宏观组装多层石墨烯，MLG) 的垂直集成方式，实现高灵敏度宽光谱光电探测。
该工作首次将商业化单层石墨烯和成熟硅基CCD器件相结合，实现了高灵敏度室温红外探测。结合宏观组装石墨烯纳米膜的强光热电子发射效应，突破了硅带隙对器件探测波长的限制。该工作中硅与二维材料的结合，为传统光电子探测器的波长扩展提供了新思路，为研发下一代宽光谱图像传感器奠定了基础。
与传统图像传感器相比，GCI显示出几个显著优势：(1) GCI的设计实现了深耗尽势阱中电荷的随机无损读出，避免了传统CCD器件中的顺序电荷转移。(2) 底部集成宏观组装石墨烯纳米膜，将探测波段扩大到MIR (~3.8 μm)，远优于传统的硅器件。(3)除了高线性度、高填充因子、低噪声和低成本等特点外，器件同时实现了高灵敏度(红外> 0.1 A/W)和高响应速度(< 1 μs)，这是传统光电导体或二极管器件难以实现的。
1. 器件设计思路：“CCD + 2D”
研究人员利用石墨烯搭建起CCD和CMOS器件信号传递的桥梁，GCI器件结合了CCD器件光信号探测机理优势和CMOS器件电信号读出机制优势，同时实现高灵敏度、低噪声和低功耗、高速读出等性能。在GCI探测器结构中，光吸收层、电荷积分势阱和读出沟道三者异质集成，分别完成光生电荷吸收、电荷积分、电荷读出功能，这种纵向异质集成结构可以实现宽光谱探测和高填充因子，同时保留硅基技术的低成本、低噪声、宽动态范围等优势。 
图1. GCI器件与能带结构。
2. 电荷积分和无损直接读出
GCI的设计实现了深耗尽势阱中电荷的随机读出，结合CCD的电荷线性积分特性和CMOS的独立像素结构，可无损读出势阱中的光电荷。器件感光层和读出层在物理结构上是相互分离的，但又通过电容耦合的方式联系起来。这一集成策略保证了器件同时实现高灵敏度和高速读出，这是传统光电导器件或二极管器件难以实现的。文章提出线性饱和模型来描述电荷动态积分过程，根据此模型提取的参数，器件具有高线性度(R² ≥ 0.9997)、量子效率(64%@532 nm)、响应速度(>1M H_Z)以及可调的转换增益等特点。 
图2. GCI器件表征。
3. 电荷注入以拓宽响应光谱
对于红外探测，研究人员通过宏观组装石墨烯纳米膜的强热电子注入机制来拓宽硅基器件响应光谱。组装石墨烯纳米膜具有~40%的高光吸收、~3 ps的长载流子弛豫时间、弱层间耦合作用、CMOS兼容集成等优势，可显著增强光热电子发射效应，为探测器响应波长拓展奠定了材料和理论基础。
将石墨烯纳米膜和硅范德华集成为肖特基异质结，石墨烯纳米膜吸收红外光并产生光生电荷，在电场的作用下光生空穴被注入到硅的深耗尽区，并通过SLG的场效应进行读出。此策略将硅基CCD的响应波段拓宽到了中红外区域。此外，研究人员通过光热电子发射、电荷集成和跨导放大的协同效应克服了高势垒对器件响应度的限制。 
图3. GCI红外响应机制
4. 宽谱成像
硅基GCI在宽光谱范围内具有良好的响应度，研究人员利用单像素器件和线阵器件实现了从紫外到中红外的超宽光谱高质量成像。所成图像没有信号失真和像素间串扰，证实了GCI器件具有阵列成像的潜力。在固定功率下，随着曝光积分时间的延长，图像的清晰度和对比度逐步增强。此器件设计非常适用于太空探索、光谱分析等领域，通过增加积分时间来提高弱光响应的灵敏度。
图4. 宽光谱成像。
石墨烯具有良好的CMOS兼容性，可实现像素阵列集成。此外，基于该器件构建的像元能够实现单像素的调控与信号读出，其最终输出光响应具备积分特性且可在多个自由度进行调控，有望实现基于机器学习的传感内计算。结合读出电路和计算网络，可以组装具备探测、成像、识别等一体化的智能光电传感系统，实现真正意义上的“浙大芯”石墨烯图像传感器。 

原文链接

https://www.nature.com/articles/s41928-022-00755-5

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