石墨烯光探测器

光探测器的光谱响应范围由半导体材料的禁带宽带决定,热电子机制可以一定程度上拓展光谱范围,但由于量子效率随波长增加快速下降,半导体材料的本征特性依然是决定光探测器光谱响应的决定因素。因此,针对不同波段的应用需求,形成了硅探测器(可见光)、InGaAs探测器(红外)、锗探测器(红外)、HgCdTe(红外)等。石墨烯是一个非常特殊的材料,其靠近Dirac点附近的线性能带结构,使得其在极宽的波段(300nm~中远红外)都具有光电响应,并且其载流子迁移率高、亚纳米厚度。因此,基于石墨烯有望研制出超宽带、高速、高集成度的光探测器。

然而石墨烯在光探测器应用中面临两个关键难题。1,单层石墨烯光吸收仅2.3%,无法有效捕获入射光。2.,石墨烯中载流子寿命仅ps量级,光生载流子收集效率非常低。我们采用微纳光子学技术方案成功的同时解决了这两个难题,通过超材料完美吸收结构实现了光电设计的有效耦合。

硅基热电子红外探测器

光探测器是光信息处理与通信,以及显示与成像等领域的核心元件之一。手机和相机等全部采用硅基探测器,但受限于能带结构,硅材料无法响应红外光。目前红外探测依赖于昂贵的其他半导体材料,且良品率低。热电子探测是一种不依赖于禁带宽度的光探测技术,可大大扩展硅材料的光谱响应,但量子效率低。等离子体共振增强效应和场效应管放大机制有望大幅提高量子效率,获得实用化的器件。我们分别研制了具有critical coupling特性的平面型热电子探测器、具有完美吸收特性的超材料结构热电子探测器,以及纳米孔阵列的热电子探测器。响应度超过10mA/W,比现有报道高出近一个量级。