异质结吸光层优化石墨烯光电晶体管

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2024-04-25 14:07:54

异质结吸光层优化石墨烯光电晶体管

石墨烯具有宽频带、光吸收系数可控以及高载流子迁移率等特点，因此，其在高速光电子领域是一种具有巨大潜力的材料。但是，在可见光和近红外波段，石墨烯的光吸收系数较低(低于2.3%)。为提高光电晶体管的灵敏度，可以将石墨烯和光敏半导体进行复合。在该类复合器件中，电子空穴对在光敏半导体中产生后，会在界面处分离，最后由石墨烯进行收集以产生光电流。然而，该类器件往往会陷入光响应度和响应时间之间的矛盾。另外，由于缺少内部电场，由单层吸光层组成的石墨烯复合光电晶体管会抑制电子空穴对的分离，从而降低了量子效率。近日，南京大学王欣然教授和施毅教授(共同通讯作者)等人在Nano Letters上发表题为“Improving the Performance of Graphene Phototransistors Using a Heterostructure as the Light-Absorbing Layer”的文章。该文中，研究者提出了一种通过设计异质结构作为石墨烯基光电晶体管的吸光层来同步改善器件光响应度(R)、响应时间(τ)以及量子效率(QE)的方法。和以往报道中使用外加栅场来促进电荷分离的原理不同，在这种方法中，研究人员在半导体界面上开发了一种本征内置电场。以有机低聚物PTCDA和并五苯为例，研究人员发现石墨烯/PTCDA/并五苯(GPP)光电晶体管的响应度可达10⁵A/W，本征响应时间可降低至28μs，内量子效率(IQE)可达64%。在该体系的复合器件中，R、τ以及QE同时得到了极大的改善，并且复合体系的吸收系数远超三种材料单独作用时的值。研究人员发现，高品质PTCDA/并五苯界面将会促进电荷迁移态(CT)的形成，这将同时促进两种材料中电子空穴对的分离，并且有效提高量子效率。