石墨烯光电探测器中的超快固有光电转换动力学

       随着数据通信量预计将继续呈指数级增长，迫切需要对将光信号转换为电信号的超高带宽和低功耗的光接收机。光热电(PTE)石墨烯光电探测器(PDs)由于其零暗电流操作、宽带吸收和通过热载流子倍增(HCM)的高转换效率，是一种很有前途的光-电(O-E)转换平台。飞秒光泵浦-探针测量表明，光激发非平衡载流子在载流子温度升高(<100fs)时瞬间热化为费米-狄拉克分布，然后温度通过各种声子相互作用在皮秒时间尺度上降低。由于这种超快的能量弛豫，石墨烯光电探测器的3 dB带宽预计将超过200 GHz。然而，尽管在构建基于各种配置的PTE效应的超快石墨烯pd器件方面做出了大量努力，但由于示波器或频谱分析仪等读出电子器件的带宽限制，测量的带宽被限制在70GHz左右。更重要的是，来自栅极电容的电阻-电容(RC)电路的大时间常数，这是调整费米电平所必需的，将截止频率设置在100 GHz以下。因此，具有固有时间尺度的O-E转换尚未实现，因此载流子提取机制仍未被探索，尽管两者都对设计超快石墨烯光电器件至关重要。

       近日，日本NTT公司的Katsumasa Yoshioka等人通过超快光热电流的片上电读出，成功地解决了高质量石墨烯中的光电转换过程。通过使用阻性氧化锌顶栅极抑制阻容电路的时间常数，作者构建了一个门可调石墨烯光电探测器，其带宽可达220 GHz。通过测量非局域光电流动力学，作者发现从电极中提取的光电流是准瞬时的，没有可测量的载流子穿越数微米长的石墨烯的时间，遵循Shockley–Ramo定理。光电流产生的时间是非常可调的，从立即到> 4ps，它的起源被确定为费米能级依赖的带内载流子散射。相关工作发表在《Nature Photonics》上。（郑江坡）

       文章链接：https://doi.org/10.1038/s41566-022-01058-z