原创 NTT实现世界超快速石墨烯光电探测器零偏压运行

NTT公司(“NTT”)和美国国家材料科学研究所(NIMS)共同实现了石墨烯光电探测器(PD) 2的世界超快速零偏压运行1 (220 GHz)。此外，NTT和NIMS的研究首次阐明了石墨烯的光到电(O-E)转换过程。石墨烯对从太赫兹(THz)到紫外线(UV)的各种电磁波均具有高灵敏度和高速电响应。因此，它是一种很有前景的光检测材料，能够在现有半导体设备无法工作的波段内实现高速的O-E转换。然而到目前为止，限于传统的器件结构和测量设备，实验所展示的零偏压运行速度被限制在70 GHz。为此，石墨烯光电探测器研究面临的挑战是实现200 GHz的运行速度并阐明石墨烯的固有特性，如光到电转换的过程。

在这项研究中，NTT和NIMS通过使用氧化锌(ZnO)薄膜作为栅极材料来消除器件结构造成的电流延迟，使用片上太赫兹光谱技术来高速读出电流，并基于220 GHz 的3dB带宽展示了高速运行。该研究还通过比较用不同质量的石墨烯光电探测器的特性，发现了运行速度和灵敏度之间的协调效应。这些发现将使石墨烯光电探测器能够根据其预期用途进行优化，例如更注重灵敏度的光学传感器或更注重速度的O-E信号转换器。这项开创性的研究于2022年8月25日在线发表在英国科学杂志《自然-光子学》(Nature Photonics)上。

该研究小组研究了石墨烯的O-E转换，重点是光热电(PTE)效应3。该特性能实现改善功耗和信噪比所需的零偏压运行。此外，研究表明，与传统认识所不同的是，电流的响应时间几乎与光电探测器的大小无关。根据载流子密度的不同，从光照射到产生电流的时间可以有很大变化范围，从低于100 fs到超过4 ps。

这些结果展示了石墨烯作为高速宽带光电探测器材料的潜力。然而，本实验中的石墨烯提炼自石墨，因而不适合大规模生产。在未来，NTT的研究人员将评估采用可量产的大面积石墨烯的光电探测器。研究人员一直在积极通过分层堆叠石墨烯和其他二维材料（单或多原子层材料）来创造自然界中不存在的材料。研究人员还将充分利用这项技术，寻找能够实现更快运行的材料。

1 特别是在石墨烯中，零偏压运行对于改善功耗和信噪比至关重要。
2 一种将光信号转换为电信号的光电检测器件。
3 光照射材料以产生电压，从而改变温度。