納米光柵集成的雙肖特基結石墨烯波長探測器

摘要：波長探測器是一種能夠區分入射光波長的光電器件，在安全檢測、生物醫學等領域得到廣泛應用。波長探測器正朝著小尺寸、高性能、易集成的方向發展。研究了一種納米光柵超表面與石墨烯–硅–石墨烯探測器集成的單像素的波長探測器。其原理是使用雙光子飛秒激光打印技術在兩個對稱反向的石墨烯–硅肖特基結上集成不同的納米柱超表面濾波片。在不同入射波長下，兩個納米柱濾波片的透射率不同，會導致兩個肖特基結的光響應不同，通過測試不同偏壓下器件的光電流和暗電流就可以探測出入射波長。實驗表明，該波長探測器能夠識別波長為450～700 nm 的可見光。當偏壓為0.1 V 時，該波長探測器的響應度為0.19 μA/W，響應速度小于1 ms，分辨率約為14.1 nm。該器件具有高集成度、單像素探測的優點，為未來多功能探測器的高密度片上集成提供了新的思路和方法。

關鍵詞：波長探測器；石墨烯；肖特基結；激光打印；濾波片

中圖分類號：TN 247 文獻標志碼：A

引 言

隨著5G 技術的推廣與應用，機器視覺、虛擬現實（virtual reality，VR）、光芯片等領域迅猛發展，它們對各種光電子器件的需求量越來越大，性能要求也越來越高。波長探測器是一種能夠區分波長的光探測器件[1]。作為圖像傳感技術的研究重點，它受到了廣泛關注，并在安全檢測[2]、生物醫學[3]、光學成像[4]、光通信[5] 和光譜學[6] 等諸多領域得到廣泛應用。目前，隨著消費電子產品的快速發展，各種光電器件都在朝著小型化、片上集成的方向發展。因此，實現小型化、片上集成的波長探測器已成為該領域的重要發展方向之一[7]。

波長探測器的工作原理通常是使用特定的光學元件（如光柵、光子晶體或干涉儀）來分散光，使不同波長的光出現在不同的空間位置，然后再用光電探測器測量出不同波長光的光強，并生成波長譜圖或光譜，以此獲取入射光的信息[8-9]。根據是否使用濾波片，可將波長探測器分為濾波片輔助型波長探測器[10] 和無濾波片波長探測器[11]。傳統的濾波片輔助型波長探測器是由多個濾波片和光電探測器組成。由于這種波長探測器用到了濾波片及至少3 個光電探測器，所以其體積相對較大，無法獲得較高的集成度。無濾波片波長探測器主要運用電子傳輸相關的電荷收集變窄（ charge collection narrowing，CCN）原理[12-13] 和光吸收相關的比爾–朗伯定律[14] 來實現波長選擇性探測。但是現有的無濾波片波長探測器的材料制備條件復雜苛刻，不能滿足片上集成的需求，且成本較高。以上這些問題極大地限制了波長探測器的小型化和片上集成。

近年來，有關超表面的研究也相當火熱。超表面是一種平面的光學微結構[15]，具有強大的光場調控能力，可對入射光的相位、振幅和頻率等多種參數進行調控[16]。納米柱相位光柵就是一種超表面結構，它可以實現濾波片的功能，已被用于彩色顯示[17-18]、全息[18] 等領域。超表面的體積小、功能強大，非常適合于集成到光電子器件上，賦予傳統光電子器件新的性能[19-22]。因此，在探測器上集成超表面結構有助于拓展傳統探測器的功能，實現其對不同入射波長的響應，推動波長探測器向小型化、片上集成的方向發展。

在本研究中，設計了具有兩個對稱反向的石墨烯–硅肖特基結的光電探測器，利用激光納米三維（3D）打印技術在探測器上直接集成納米柱超表面濾波片，實現了具有波長探測功能的單像素探測器。基于雙光子聚合機理的激光3D 打印技術，利用材料的三階非線性效應，可以實現分辨率為納米級的三維結構加工[23]。創新性地利用該技術，將具有濾波功能的納米柱結構直接打印在探測器光響應區域上方，可實現片上集成。與傳統的濾波片輔助型波長探測器[10] 不同，在該探測器中，利用雙肖特基結在正負偏壓下光吸收區域不同的特點，通過獲取探測器正負偏壓下的光電流和暗電流即可得到入射光波長，從而無需使用多個探測器，可進一步縮小器件的尺寸，實現更高的集成。使用該探測器可實現對可見光波段的紅（638 nm）、綠（520 nm）、藍（450 nm）三色光的探測。測試結果顯示：偏壓僅為0.1 V時，探測器的響應度為0.19 μA/W，響應時間小于1 ms，分辨率約為14.1 nm。