石墨烯和半導體混合結構  光電探測器的未來

編譯／高晟鈞

石墨烯和半導體的整合結合了兩者的獨特優勢，並釋放出有前景的光響應現象，從而促進了高性能光電探測器的進步。值得注意的是，凡得瓦力使石墨烯能與多種半導體相結合，超越外延晶格匹配的限制，並在材料選擇方面提供了前所未有的自由度。

此外，生長和轉移技術的不斷發展也使得石墨烯能夠融入現有成熟的大面積影像感測器半導體製程，本文膊簡單介紹石墨烯和半導體光電探測器的挑戰、突破與未來展望。

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光電探測器

光電探測器作為各種光電系統的「眼睛」，透過將光轉換為電訊號，在日常生活和工業生產中發揮關鍵作用。而隨著材料生長、製程與訊號處理電路的進度，市場環境對於光電探測器的需求不斷增加，科學家們也不斷致力於增加其響應速度、靈敏度、寬頻響應等特性。

現在，光電探測器已經向多功能發展，包括可穿戴與柔性感測器、仿生片上視覺訊息感知與處理和多維訊息檢測等，特別是那些可以與金屬氧化物半導體（CMOS）技術相容的光電探測器，由於極具成本效益而被高度重視。

石墨烯

石墨烯作為近十年來討論度極高的二維材料，具有獨特的光電特性，可以在極短的時間尺度下實現載流子的快速熱化與冷卻，複合時間通常在幾十皮秒內，十分適合製造超快光電探測器。其次，石墨烯的零帶隙使其能夠偵測範圍涵蓋紫外線、可見光、紅外線輻射，甚至太赫茲頻率的超寬光譜訊號。

更重要的是，凡得瓦力的存在使石墨烯可以輕鬆與其他材料接觸，此特性在CMOS技術中展現了出色的包容性。

石墨烯加半導體

儘管具有卓越的性能，原始石墨烯吸收光的能力並不出色，僅利用了約2.3%的入射光。這嚴重影響了石墨烯光電探測器的靈敏度。為了解決這個問題，研究人員探索了石墨烯與其他半導體的結合，利用其他半導體強大的光吸收能力，彌補其缺陷，而石墨烯口半導體光電探測器由此而生。

石墨烯加半導體光電探測器具有幾個優勢，包含了選擇半導體材料的高度靈活性，光電流傳輸、收集、生成的優化，配合成熟的CMOS技術，加速從實驗室過渡到商業應用的腳步。

石墨烯和半導體在構建新型光電探測器中的整合，在寬頻探測方面已經取得了重大進展，實現了 GHz 級工作頻寬、超高響應度和增益頻寬產生。然而開發結合高性能、多功能和晶圓級製造的裝置仍然需要進一步的努力。

資料來源:Phys.org

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