前言

石墨烯光电探测器是各种光电器件应用的有前途的候选物，因为它们不仅允许在紫外到太赫兹波长上的宽带光吸收，而且能够实现千兆赫带宽的超快光响应。此外，石墨烯红外(IR)光电探测器比传统的量子型红外光电探测器更有优势，因为后者的制造需要危险材料并且会产生高成本，而石墨烯光电探测器可以通过低成本工艺制造，而不需要危险材料。虽然先前报道的石墨烯光电探测器中的大多数显示出超高的响应度，基于场效应晶体管(FETs)，并且产生大的暗电流，但是它们不能实现正常关断操作。大的暗电流导致高的散粒噪声，如果暗电流大，则读出集成电路（ROIC）中的电容器变得饱和，因此，防止了来自像素的光电流的累积。因此，为了读出传感器信号，有必要包括额外的参考像素和差分电路来减少暗电流。因此，暗电流的减少是红外石墨烯光电探测器设计中的一个重要问题。此外，因为基于场效应晶体管的光电探测器包括三个工作端子，所以它们的电路配置相对复杂。石墨烯/半导体异质结光电探测器具有克服上述挑战的潜力；这些异质结通常被称为肖特基结，已经使用硅衬底进行了广泛的研究，用于可见光和近红外光检测。23–28因为石墨烯/半导体异质结光电探测器是双端光电二极管，所以它们适用于集成电路，如互补金属氧化物半导体(CMOS)电路。

研究内容

为了实现中红外操作，锑化铟被用作这些肖特基型结构中的半导体，因为它具有对应于中红外吸收的窄带隙。。然而，与中红外图像传感器应用相关的其他重要问题仍然需要解决。第一个与红外图像传感器像素大小有关。适用于红外图像传感器的小像素尚未实现。对于中红外波长，石墨烯/锑化铟异质结光电探测器的孔径为500x500um2。第二个问题是只有很窄的驱动电压范围可以维持低(几纳)暗电流；因此，这些光电探测器容易受到影响图像质量的工作电压波动的影响。第三个问题是，红外图像传感器在低暗电流范围内的响应度通常较低；相反，尽管传感器在高暗电流范围内具有高响应度，但仍会产生高噪声水平。因此，为了使石墨烯/锑化铟红外光电探测器能够用于实际传感器应用，高响应度和低噪声应该是目标。石墨烯/锑化铟界面上产生的暗电流和耗尽层的宽度密切相关。很明显，使用低载流子密度的未掺杂锑化铟可以通过抑制载流子扩散来增加石墨烯/锑化铟界面耗尽层宽度，从而减少暗电流的产生。此外，石墨烯的载流子密度可以通过增强光控效应来调制，这也可以通过增加耗尽层的宽度来实现。特别是，光控效应是由耗尽层电容的变化引起的。随着耗尽层宽度的增加，其中产生的光载流子的数量也增加；因此，耗尽层电容的变化变得更加显著。三菱电气公司的工程师对以上问题进行了研究，他们试图减少石墨烯/铟中产生的暗电流。

实验方法

通过湿法蚀刻完全去除TEOS-二氧化硅层以形成石墨烯/锑化铟异质结是困难的，因为异质结相对较小，仅跨越几平方微米。石墨烯/锑化铟异质结界面上残留的TEOS-二氧化硅阻碍了电流的流动，从而增加了电流噪声和不稳定性。因此，他们采用CF4等离子体刻蚀去除了TEOS-二氧化硅层，获得了无TEOS-二氧化硅残留的干净的石墨烯/锑化铟异质结界面。用于制作异质结的石墨烯是通过化学气相沉积在蓝宝石衬底上的单晶铜上合成的。值得注意的是，通过这种方法制备的石墨烯比生长在铜箔上的化学气相沉积石墨烯具有更高的结晶度。石墨烯结晶度的增加不仅通过抑制晶粒边界处的发热来降低光电探测器中的噪声电流，还增加了电子迁移率，从而提高了响应度。

基于光控的石墨烯/锑化铟异质结光电探测器阵列示意图。

Vd=-0.05 V中红外辐射(强度=4.6毫瓦/平方厘米)的时间响应图。

结论

工程师研制了一种用于红外图像传感的高性能石墨烯/锑化铟异质结中红外探测器。通过干法刻蚀制备的小像素清洁石墨烯/锑化铟异质结有助于降低噪声和稳定的探测器工作。此外，高结晶化学气相沉积石墨烯的使用，由于其高电子迁移率和降低的噪声，导致光控效应的放大。此外，通过使用低载流子密度的未掺杂锑化铟作为提出的光电探测器的衬底，石墨烯/锑化铟界面处的耗尽层的宽度被增加，从而在中红外辐射下的绝缘性能和石墨烯载流子密度调制效应作为光选通效应也被放大。他们提出的光电探测器的相应信噪比性能表明，它适用于红外图像传感器，与传统的量子型红外传感器相比，具有相似的低成本性能。

https://doi.org/10.1063/5.0024188。