金属-半导体-金属（MSM）结构已被广泛用于紫外（UV）检测。然而，传统的MSM结构存在大暗电流、探测带宽窄和低电荷收集率的问题，为了在更广泛的光电子应用中改善性能和功能，需要优化MSM结构中的这些特性，以实现宽谱探测。该研究发现了一种高性能宽带石墨烯/薄硅/石墨烯光电探测器（GSG PD），通过实现石墨烯和硅在从X射线到近红外区域的吸收带宽的协同组合，使得所提出的光电探测器在该光谱范围内的灵敏度得到了提高，实现了紫外波段0.56 A/W的响应度、2.72 × 10¹¹ Jones的探测率和7.2 ns的响应时间。此外，此研究中提出的宽谱区域实时阵列成像可以受益于类似于互补金属氧化物半导体（CMOS）架构的独立像素结构。这种方法是实现高性能光电探测器的可靠途径，具有宽谱响应、高响应度和低噪声。这项研究是对新型硅光电探测器实现宽谱探测的尝试，结合探索CMOS电路兼容技术，将有助于推动未来硅/石墨烯异质集成宽谱光电探测器的前沿研究。
图1（a）薄硅上的GSG光电探测器的结构示意图和电路。（b）SEM图像和（c）由30个石墨烯插指组成结构的放大图像。(d)光电探测器阵列的照片。（e）石英衬底上Si和SLG的200-1200nm波长的吸收光谱。插图：SLG的吸收峰。（f）GSG光电探测器在不同入射功率密度下在375 nm激光照射下的光电流-电压特性。插图：器件的暗电流与电压偏置的关系。
此外，论文还研究了该器件从X射线、可见光到近红外的宽谱特性。如图2所示，在X射线照射下，光电流呈现与剂量率的线性趋势。灵敏度是X射线光电探测器的关键品质因数参数，反映了器件的光电转换和电荷收集能力，通过拟合虚线的斜率，可以分别得到在10、20和30 keV的X射线光子能量下的灵敏度，同时GSG光电探测器的灵敏度和响应时间与其他报道的钙钛矿X射线探测器相比具有各自特色。图2（d）展示了器件在紫外和X射线波段的探测性能与其它文献的对比。并且也展示了532、915和1064 nm波长下的光电流密度与功率密度的关系，这将有助于提升宽谱范围内的响应度。总的来说，通过上述性能的表征，图2（c）总结了在不同波长下的性能的详细图表，证明此GSG光电探测器具有宽谱区域（从0.024到1064nm）的探测潜力。该论文第一作者是浙江大学微纳电子学院的博士生刘欣雨。
图2 GSG光电探测器的宽光谱响应性能。（a）在不同的X射线光子能量下的光电流与剂量率的关系，拟合虚线的斜率表示响应灵敏度。（b）具有不同波长入射功率密度的光电流密度。（c）X射线光子能量的灵敏度（10-50 keV）和激光的响应度（266-1064 nm）表征。（d）GSG PD的紫外响应度和X射线灵敏度与其它代表性探测器的比较图。
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团队介绍
刘欣雨：浙江大学微纳电子学院2018级直博生，师从徐杨教授，2018年本科毕业于中南大学微电子科学与工程专业。研究方向为硅基石墨烯宽光谱光电探测器及图像传感器。曾获浙江大学三好研究生、优秀研究生、优秀研究生干部、华自科技奖学金等荣誉。
徐杨：浙江大学微纳电子学院教授, 博导。英国物理学会会士（IOP Fellow, FInstP）、英国皇家化学会会士 （Fellow of the Royal Society of Chemistry)、 英国材料学会会士（Fellow of the Institute of Materials, Minerals and Mining)、IEEE杰出讲座学者（IEEE NTC Distinguished Lecturer）。硅材料国家重点实验室成员, ZJU-UIUC Joint Institute兼聘教授, UCLA访问教授，剑桥大学丘吉尔访问学者，美国UIUC电子工程系博士和硕士，清华大学电子工程系学士。长期致力于硅范德华异质器件与集成的前沿基础研究，在Nature Electronics, Nature Nanotechnology等期刊和IEDM会议上发表论文120余篇，出版Wiley专著《Graphene for Post-Moore Silicon Optoelectronics》，发明专利授权30余项, 受邀在Nature Photonics、Chemical Reviews发表评论和综述。担任国际期刊Photonics Research, IEEE Nanotechnology Magazine副主编（Associate Editor），IEEE T-ED, Nanotechnology, Microelectronics Journal等期刊编委（Editorial Board）, 和IEEE EDS光电器件和IEEE NTC 纳米电子技术委员会委员。承担国家自然科学基金区域联合重点项目、重大培育基金、面上基金和负责国家重点研发计划课题。
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原文信息
标题：High-performance broadband graphene/silicon/graphene photodetectors: From x-ray to near-infrared
期刊：Appl. Phys. Lett. 122, 071105 (2023)
作者：Xinyu Liu, Hao Ning, Jianhang Lv, Lixiang Liu, Li Peng, Feng Tian, Srikrishna Chanakya Bodepudi, Xiaochen Wang, Xiaoxue Cao, Yunfan Dong, Wenzhang Fang, Shaoxiong Wu, Huan Hu, Bin Yu, and Yang Xu
原文链接：https://aip.scitation.org/doi/abs/10.1063/5.0132028
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期刊介绍
Applied Physics Letters以简明扼要的最新报告为特色，介绍了应用物理学的重大新发现。APL强调关键数据和新的物理学见解的快速传播，及时发表新实验和理论论文，报告物理现象在科学，工程和现代技术的所有分支中的应用。
