日本NTT研究所Nat. Photonics：“读”出石墨烯光电转换
一、【导读】
随着数据业务预计将继续呈指数增长，迫切需要超高带宽和低功耗的光接收器，将光信号转换为电信号。光电热电（PTE）石墨烯光电探测器（PDs）由于其零暗电流操作、宽带吸收和通过热载流子倍增（HCM）的高转换效率，是光电（O-E）转换的有前景的平台。飞秒光泵-探针测量表明，光激发的非平衡载流子在载流子温度升高，然后温度通过各种声子相互作用在皮秒时间尺度上降低。由于这种超快能量弛豫，石墨烯PDs的dB带宽预计将超过200 GHz。然而，尽管在基于各种配置中的PTE效应构建超快石墨烯PDs方面做出了相当大的努力， 由于诸如示波器或频谱分析仪之类的读出电子器件的带宽限制，测得的带宽仅限于70 GHz。石墨烯中的光电转换是实现预期的超高速和低功耗信息技术的核心原理。然而，要揭示其机制和内在的时间尺度则需要探索未知的太赫兹电子学和设备架构。
二、【成果掠影】
近日，日本NTT研究所Katsumasa Yoshioka博士（一作兼通讯）团队通过超快光电电流的芯片上电读出成功地解决了高质量石墨烯中的光电转换过程。通过使用电阻氧化锌顶栅极抑制电阻-电容器电路的时间常数，研究人员构建了一个带宽高达220 GHz的栅极可调谐石墨烯光电探测器。通过测量非局部光电流动力学，作者发现从电极上的光电流提取是准瞬时的，而且没有可测量的载流子通过几微米长的石墨烯，这完全遵循了Shockley-Ramo定理。产生光电流的时间从即刻到>4 ps均为可调，其起源被认为是与费米能级相关的带内载流子-载流子散射。本研究结果填补了超快光学科学和器件工程之间的空白，加速了超快石墨烯光电子应用。相关研究成果以题为“Ultrafast intrinsic optical-to-electrical conversion dynamics in a graphene photodetector”发表在知名期刊Nature Photonics上。
三、【核心创新点】
构建了一个带宽高达220 GHz的栅极可调谐石墨烯光电探测器，成功地解决了石墨烯中O-E转换过程及其固有的时间尺度。
四、【论文掠影】
图一、芯片上超快电读数的设置© 2022 Springer Nature
（a）一种可以降低RC时间常数的ZnO顶栅，从而控制了封装hBN的石墨烯的费米能级的设备结构示意图。
（b）通道长度为5 µm的石墨烯器件的光学图像。
（c）（b）的扫描光电流图像。
（d）在泵浦位置5 µm(1)和5 µm(2)样品中时间分辨光电流。
（e）（d）中由波形得到的归一化傅里叶变换谱。
图二、瞬时Shockley–Ramo响应和可调HCM © 2022 Springer Nature
（a）不同栅极偏置电压（Vgate）时，5 µM(2)的时间分辨光电流。
（b）（a）中峰值位置附近的归一化波形，突出显示栅极诱发的峰值偏移。
（c）实验设置（I）-（III）的示意图，用于测量非局部光电流提取动力学。
（d）从（c）中每个配置中提取的峰移，如相应的颜色图所示。
（e）光电流上升时间与费米能级的函数关系。
图三、不同载流子迁移率样品的冷却时间© 2022 Springer Nature
（a）不同样品得到的时间分辨光电流。
（b）在EF = −0.05 eV计算出的Seebeck系数（上）；从（a）中得到的不同样品的衰减常数作为载流子迁移率的函数（下）。
图四、电气读数与光电读数© 2022 Springer Nature
（a）两种不同方法的示意图。
（b）用电学和光电学方法测量5 µm(1)和5 µm(2)样品的时间分辨光电流。
五、【前景展望】
综上所述，研究人员实现了PTE基石墨烯PDs中光电流的超快非局部电读数。通过结合芯片上太赫兹光谱和和栅极可调谐器件与抑制的RC时间常数，作者成功地解决了石墨烯中的O-E转换过程及其固有时间尺度。与预期相反，作者发现光电流产生的时间是可调的，从大费米能级立即响应到接近CNP时的>4ps，且通过可调谐带内HCM通过光激发载流子的热化来确定。研究还发现，根据Shockley-Ramo定理，在没有载流子渡越时间的情况下，PDs上的光电流响应是准瞬时的。一旦实现热化，光电流通过声子相互作用降低载流子温度而衰减。由于准瞬时光电流流动和可忽略的RC常数，本方法通过直接跟踪载流子温度的时间演变，作为石墨烯的超快测温。这使得能够更深入地了解石墨烯中的O-E转换机制，为克服带宽限制和获得O-E转换过程的定量理解而制定的处方可应用于任何基于PTE的石墨烯PD，并将为石墨烯光电器件的设计制定新标准。此外，本研究开发的平台可以很容易地扩展到二维范德华材料及其异质结构，以研究特殊层间耦合（如层间热载流子动力学、层间激子和移位电流）实现的O-E转换的关键超快过程。本研究展示的片上超快电读出通过演示如何在基本了解超快载流子动力学的基础上实现功能（超快O-E转换），消除了超快光学科学和设备工程之间的障碍，这有利于超快光电应用的发展。
文献链接：Ultrafast intrinsic optical-to-electrical conversion dynamics in a graphene photodetector(Nature Photonics2022, DOI: 10.1038/s41566-022-01058-z)
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