石墨烯光电晶体管有望用于传感器和高速通信

普渡大学物理与天文学与电气与计算机工程系教授左晨，研究生丁凤涌研究员研究开发了由石墨烯材料制成的高灵敏度光学器件。这一进步有助于将应用从成像和显示应用到传感器和高速通信。

研究人员已经解决了阻碍由称为石墨烯的材料制成的高灵敏度光学器件的发展的问题，这可以将成像和显示应用从传感器和高速通信提供。

石墨烯是一种非常薄的碳层，对光电有希望，研究人员正在努力开发基于石墨烯的光电探测器，这些器件对许多技术至关重要。然而，由石墨烯制成的典型光电探测器仅具有对光敏感的小面积，限制了它们的性能。

普渡大学物理与天文学与电气学教授陈勇说，现在研究人员通过将石墨烯与相对较大的碳化硅衬底相结合，创造出可以被光激活的石墨烯场效应晶体管或GFET来解决这个问题。和计算机工程，以及普渡量子中心主任。

高性能光电探测器对于包括用于天体物理学的高速通信和超灵敏摄像机以及感测应用和可穿戴电子设备的应用可能是有用的。基于石墨烯晶体管的阵列可能会带来高分辨率成像和显示。

密西根大学核工程与放射科学教授伊戈尔·约瓦诺维奇（Igor Jovanovic）  说：“在大多数相机中，您需要大量的像素。“但是，我们的方法可能使一个非常敏感的相机成为可能，但您仍然拥有较高的分辨率。 

本周在“ 自然纳米技术 ”杂志上发表的研究报告中详细介绍了新的发现。这项工作由普渡大学，密歇根大学和宾夕法尼亚州立大学的研究人员进行

 Jovanovic说：“在迄今为止所展示的典型的基于石墨烯的光电探测器中，光响应仅来自比石墨烯附近的特定位置，远小于器件尺寸。“然而，对于许多光电器件应用，希望在更大的面积上获得光响应和位置灵敏度。

新的研究结果表明，即使当碳化硅在离石墨烯的距离远的地方照亮时，器件也能响应光线。性能可以增加多达10倍，这取决于材料的哪一部分被照亮。新的光电晶体管也是“位置敏感”，这意味着它可以确定光线到达的位置，这对于成像应用和检测器来说是重要的。

“这是第一次有人在大型碳化硅晶圆上展示了一小块石墨烯，以达到非局部光电检测的目的，因此光线不必击中石墨烯本身。” “在这里，光线可能发生在一个更大的区域，几乎是一毫米，这是以前没有做过的。”

在碳化硅的背面和石墨烯之间施加电压，在碳化硅中形成电场。入射光在碳化硅中产生“光载体”。

Jovanovic说：“半导体提供与光相互作用的媒体。“当光线进入时，器件的一部分变成导通，并改变了作用在石墨烯上的电场。

电场的这种变化也改变了石墨烯本身的电导率，这是被检测到的。该方法称为场效应光检测。

碳化硅是“未掺杂”，不同于硅基晶体管中的常规半导体。未掺杂使材料成为绝缘体，除非其暴露于光，这暂时导致其变成部分导电，改变石墨烯上的电场。

“这是这项工作的新奇，”陈说。

该研究涉及开发新的基于石墨烯的传感器，旨在检测辐射，并由美国国家科学基金会和美国国土安全部的联合拨款资助，另外还有来自国防威胁减免机构的补助金。

“这个特别的文章是关于检测光子的传感器，但其他类型的辐射原理是一样的。” “我们正在使用敏感的石墨烯晶体管来检测由光子引起的变化的电场，这种情况下的光与碳化硅衬底相互作用。

光检测器可用于称为闪烁器的设备中，用于检测辐射。电离辐射产生短暂的闪光，闪烁体由称为光电倍增管的设备检测到，这是一种约百年的技术。

Jovanovic说：“因此，开发可以实现相同功能的先进的基于半导体的器件有很大的兴趣。

该文件由前普渡大学博士后研究员Biddut K. Sarker撰写; 宾夕法尼亚州立大学研究生Edward Cazalas; 普渡研究生丁凤涌; 前普渡大学毕业生Isaac Childres; 约瓦诺维奇 和陈。

研究人员还用计算模型解释了他们的发现。晶体管在Purdue的Discovery Park的Birck纳米技术中心制造。

未来的研究将包括探索诸如闪烁体，天体物理学成像技术和高能辐射传感器等应用的工作。