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Jinfeng Huang|Muhammad Malik|Yuxin Ye|Taocheng Yu|Aymene Zinbi|Guanyu Liu|Jiarui Qiu|Yu Fu|Mengze Zhao|Zhibin Zhang|Jinhao Zhang|Muhammad Ab
Jinfeng Huang|Muhammad Malik|Yuxin Ye|Taocheng Yu|Aymene Zinbi|Guanyu Liu|Jiarui Qiu|Yu Fu|Mengze Zhao|Zhibin Zhang|Jinhao Zhang|Muhammad Abid Anwar|Xuan Ye|Quan Yang|Hanzhi Ma|Wee-liat Ong|Can Liu|Kaihui Liu|Yuda Zhao|Bin Yu|Yang Xu
浙江大学（ZJU）集成电路学院，中国杭州，310027
摘要
石墨烯因其宽带光学响应、原子级厚度和可扩展的晶圆级生产能力而成为一种革命性的材料。然而，其无带隙的能带结构导致严重的光载流子复合和低光电转换效率。在1064纳米近红外（NIR）通信波段，低态密度和固有的泡利阻塞效应导致响应性不足。传统的石墨烯型传感设备缺乏零偏压自驱动响应能力。本文提出了一种通过氮等离子体掺杂策略制备的氮化石墨烯NIR光电探测器。优化后的设备在0伏偏压下对1064纳米激光具有稳定的自驱动光响应，上升时间为3883纳秒，下降时间为893纳秒，响应率为0.134安培/瓦特，并且具有稳定的零偏压自驱动光响应。该设备还能够准确解码1064纳米NIR二进制光脉冲信号，并支持结合零偏压初始检测和偏压增强采集的低功耗光信号采集方案。这一可行的技术路线为石墨烯光电技术在短距离NIR光通信、低功耗智能传感和被动物联网节点中的应用提供了可能。
引言
由于石墨烯出色的性能特性，它在下一代光电技术领域受到了广泛关注[[1], [2], [3], [4], [5]]。石墨烯打破了传统半导体传感材料的性能极限，被视为微型化、集成化和低功耗光电传感系统的核心功能材料[[6], [7], [8], [9]]。然而，石墨烯的固有特性也带来了限制其实际应用的根本瓶颈。原始石墨烯的无带隙结构导致光生载流子的严重直接复合，从而使得光电转换效率极低。同时，在1064纳米NIR通信波段，低态密度和固有的泡利阻塞效应导致响应性不足，这是基于石墨烯的NIR传感设备的主要问题[[10], [11], [12], [13]]。此外，传统的石墨烯传感设备没有零偏压自驱动响应能力，需要外部偏压来实现有效的载流子分离和传输，这大大增加了系统功耗，并限制了其在被动、低功耗集成传感节点中的应用[[14], [15], [16], [17]]，进一步阻碍了石墨烯传感材料的工业应用[[18], [19], [20], [21]]。
为了解决石墨烯作为传感材料的上述核心瓶颈，人们探索了多种改性策略[[22], [23], [24], [25], [26]]。然而，这些策略很难同时克服石墨烯传感材料的多种限制。大多数策略只能部分提高响应性，无法实现零偏压自驱动响应。本文基于硅器件，通过可控的氮等离子体掺杂策略开发了一种基于石墨烯的NIR传感材料。氮等离子体处理在石墨烯晶格中引入了可调的吡啶氮和吡咯氮活性位点，优化了石墨烯的电子结构，打破了其固有的限制。吡咯氮主导的掺杂在原本无带隙的石墨烯中打开了窄带隙，抑制了光生载流子的直接复合，显著增强了NIR光响应。同时，优化后的石墨烯型传感设备实现了稳定的零偏压自驱动光电响应，消除了对外部偏压的需求，大大降低了传感系统的功耗。此外，该材料实现了大面积制备，并具有与CMOS工艺的完全兼容性，解决了石墨烯传感材料工业制造的长期工艺难题。
我们克服了传统石墨烯传感材料的核心性能限制，实现了良好的NIR响应性、优异的零偏压自驱动响应、出色的弱光检测能力和出色的批量稳定性。优化后的石墨烯传感材料在弱1064纳米激光照射下具有0.134安培/瓦特的响应率。该材料在零偏压下也表现出快速的光响应，上升时间为3883纳秒，下降时间为893纳秒，并能准确解码1064纳米NIR光脉冲信号。结合提出的两阶段光信号采集方案（零偏压自驱动初始检测和偏压增强采集），实现了高效的光信号采集。
章节片段
石墨烯的湿法转移
用于铜基单层石墨烯的生长，从国家石墨烯创新中心（中国宁波）购买了200×300平方毫米的CVD单层石墨烯。在石墨烯/Cu表面上首先以2000转/分钟的速度旋涂了2000微米的聚（甲基丙烯酸甲酯）（PMMA）层。在石墨烯上层涂覆PMMA层后，通过氧气等离子体处理对石墨烯另一侧的Cu层下的石墨烯进行了15分钟的蚀刻。
结构表征
系统地对具有梯度氮掺杂水平的掺杂石墨烯样品进行了表征，以阐明氮等离子体处理引起的结构演变。在25至60瓦的等离子体功率下制备的氮掺杂石墨烯薄膜进行了拉曼光谱测量，结果显示不同等离子体功率处理的样品具有明显的光谱差异（图2a）[27]。相应的拉曼表征也在P+
结论
在这项工作中，我们通过可控的氮等离子体掺杂制备了一种p+-石墨烯/氮掺杂石墨烯/n-Si近红外（NIR）光电探测器。该探测器解决了传统石墨烯/硅光电探测器的核心瓶颈问题，包括NIR响应不足和缺乏零偏压响应。在偏压驱动下，该探测器在1064纳米通信波段实现了0.134安培/瓦特的响应率。
生成式AI和AI辅助技术的声明
作者使用AI工具优化了手稿的语法准确性和可读性。使用这些工具后，所有作者仔细审查、编辑和验证了内容，以确保其准确反映了他们的原始研究发现、分析和解释。
CRediT作者贡献声明
Jinfeng Huang：概念化、形式分析、可视化、撰写——初稿；撰写——审阅与编辑。Muhammad Malik：形式分析。Yuxin Ye：研究、撰写——初稿、撰写——审阅与编辑。Taocheng Yu：形式分析、资源准备。Aymene Zinbi：软件开发。Guanyu Liu：概念化、形式分析、方法论、资源准备、监督。Jiarui Qiu：概念化、研究。Yu Fu：资源准备。Mengze Zhao：资源准备。Zhibin Zhang：资源准备。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。
致谢
本工作得到了中国国家重点研发计划（项目编号：92164106）、国家自然科学基金（项目编号：62104200、U22A2076）以及浙江省自然科学基金（项目编号：LDT23F04013F04）的支持。我们感谢浙江大学国际校区的微纳制造中心以及浙江大学微纳制造中心的支持。
