李子珅 劉旸 許海濤 魏楠 於菪珉 王勝納米器件物理與化學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室北京大學(xué)電子學(xué)系北京 100871；通信作者E-mail：shengwang@pku.edu.cn

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低噪聲、寬譜響應(yīng)的碳納米管薄膜-石墨烯復(fù)合光探測器

李子珅 劉旸 許海濤 魏楠 於菪珉 王勝?
納米器件物理與化學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室北京大學(xué)電子學(xué)系北京 100871；?通信作者E-mail：shengwang@pku.edu.cn

采用高純半導(dǎo)體碳納米管薄膜和石墨烯構(gòu)建復(fù)合結(jié)構(gòu)光探測器研究其光電響應(yīng)特性。結(jié)果表明在光照下頂層石墨烯中的光生載流子通過碳納米管與石墨烯之間薄的非晶硅層隧穿至底層的碳納米管薄膜中在非晶硅層兩側(cè)分別富集電子和空穴形成光致柵壓（Photogating）有效地改變了碳納米管薄膜晶體管的電流。器件在可見光（633nm）條件下得到響應(yīng)度為83mA/W并在近紅外波段范圍內(nèi)仍保持好的光響應(yīng)特性。由于石墨烯具有寬譜光吸收特性半導(dǎo)體碳納米管薄膜晶體管具有小的暗電流碳納米管-石墨烯復(fù)合光探測器發(fā)揮了兩種材料的優(yōu)勢為今后高性能寬譜光電探測器的制備奠定了基礎(chǔ)。

碳納米管；石墨烯；光電探測器；復(fù)合

北京大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版） 第52卷 第3期 2016年5月

Acta Scientiarum Naturalium Universitatis PekinensisVol. 52No.3（May 2016）doi：10.13209/j.0479-8023.2015.127

光探測器廣泛應(yīng)用于成像、通訊、探測等領(lǐng)域［1-4］寬光譜探測是一個(gè)重點(diǎn)發(fā)展方向［5-6］。由于石墨烯具有獨(dú)特的能帶結(jié)構(gòu)使其擁有優(yōu)異的寬光譜吸收特性成為制備寬光譜光電探測器的良好材料。另外石墨烯具有高的載流子遷移率在高速光電器件應(yīng)用方面具有非常大的潛力［4］。雖然石墨烯具有很高的吸收率但單層石墨烯光吸收較低［7］，導(dǎo)致器件響應(yīng)度低與現(xiàn)有的商用探測器相差較大。因此關(guān)于石墨烯光探測器的研究主要圍繞如何提高光響應(yīng)度展開［8-16］。

由于石墨烯具有零帶隙的能帶結(jié)構(gòu)一方面在光激發(fā)下表現(xiàn)出從紫外到紅外波段的寬譜響應(yīng)特性［9，12-13］另一方面因其光生空穴電子對(duì)壽命很短，通常在皮秒量級(jí)（10-12s）［8］，在沒有電場作用的情況下非常容易復(fù)合難以形成光電流。因此基于石墨烯的光電探測器通常利用石墨烯與接觸電極形成的內(nèi)建電場將光生載流子分離。該內(nèi)建電場是由于電極對(duì)所接觸石墨烯的摻雜，導(dǎo)致在電極接觸區(qū)附近產(chǎn)生能帶彎曲［9-13］。相關(guān)研究結(jié)果表明基于接觸電極摻雜的石墨烯光電器件的有效作用區(qū)域只集中在電極附近，一般僅為幾百nm較小的有效工作區(qū)域使器件響應(yīng)度大部分為 mA/W 量級(jí)。石墨烯光探測器還可與表面等離激元金屬結(jié)構(gòu)［17-21］或微腔結(jié)構(gòu)相結(jié)合［22-23］。由于這兩種結(jié)構(gòu)均可使局部光場強(qiáng)度產(chǎn)生數(shù)量級(jí)的提升，當(dāng)石墨烯位于其光場增強(qiáng)位置時(shí)將極大的增強(qiáng)石墨烯與光場的相互作用，有效提高器件的響應(yīng)度，達(dá)到幾十 mA/W量級(jí)。但是上述結(jié)構(gòu)對(duì)波長的響應(yīng)具有選擇性，使器件不能夠發(fā)揮石墨烯的寬譜響應(yīng)特性。

此外，關(guān)于量子點(diǎn)與石墨烯的復(fù)合結(jié)構(gòu)光探測器已有報(bào)道［24-25］。這種復(fù)合光探測器的工作原理主要是基于兩種材料中載流子存在巨大的遷移率差別（達(dá)到3個(gè)數(shù)量級(jí)以上，其中PbS量子點(diǎn)中的載流子遷移率非常低（1×10-3～1 cm2/（V·s））而石墨烯中的載流子遷移率非常高（約 1×103cm2/（V·s））量子點(diǎn)材料在光激發(fā)下產(chǎn)生的載流子引起的光致柵壓（photogating）效應(yīng)，即限制在量子點(diǎn)中的光生載流子通過電容耦合影響石墨烯溝道的電阻使器件轉(zhuǎn)移特性曲線發(fā)生漂移，器件在可見光波段的響應(yīng)度最高可達(dá) 107A/W［24-25］。由于器件中主要光吸收材料是量子點(diǎn)，而PbS量子點(diǎn)光吸收只能到近紅外波長因此量子點(diǎn)石墨烯復(fù)合器件的長波響應(yīng)一般截止到 1500 nm沒有充分發(fā)揮石墨烯的寬譜吸收特性同時(shí)其光響應(yīng)速度很低，暗電流也較大。采用頂層石墨烯作為吸光材料，底層石墨烯作為溝道材料，利用 photogating效應(yīng)可以獲得可見到中紅外寬譜的光探測性能［26］。但是由于石墨烯的零帶隙結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)器件暗電流較大，導(dǎo)致探測率相對(duì)較低。高純半導(dǎo)體碳納米管（CNT）薄膜是一種具有優(yōu)異電學(xué)特性的薄膜材料，具有暗電流小等特點(diǎn)有利于提高光電器件的探測率。本文主要研究高純碳納米管薄膜和石墨烯復(fù)合光探測器，底層使用定向排列的 99%高純 CNT薄膜作為溝道材料［27］頂層采用單層石墨烯作為光吸收材料，利用 photogating效應(yīng)增大器件響應(yīng)度同時(shí)保持器件的寬譜探測特性和較小的暗電流，充分發(fā)揮上述兩種材料在光電探測器中的優(yōu)勢。

1　器件結(jié)構(gòu)及實(shí)驗(yàn)方法

圖1（a）為實(shí)驗(yàn)所制備器件的示意圖圖1（b）為器件截面示意圖圖1（c）為器件掃描電子顯微鏡（SEM）照片。碳納米管薄膜材料為99%高純半導(dǎo)體碳納米管（NanoIntegris公司）。利用咖啡環(huán)效應(yīng)采用蒸發(fā)自組裝方式［27-28］制備定向排列的碳納米管條帶薄膜如圖1（d）的SEM照片所示條帶的寬度一般為10～12 μm。使用電子束曝光及剝離工藝在CNT薄膜上制作源漏電極電極所用金屬為 Ti/Pd （0.5 nm/30 nm）。使用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法（PECVD）在溝道CNT薄膜上生長厚度約為6 nm的非晶硅作為隧穿層。最后將石墨烯轉(zhuǎn)移到器件表面并采用反應(yīng)離子刻蝕（RIE）工藝將石墨烯刻蝕為圖1（c）中藍(lán)色區(qū)域大小以防止石墨烯與源漏電極連接造成短路。石墨烯是在鉑片上使用化學(xué)氣相沉積（CVD）方法生長得到［29］。

器件的電學(xué)測量使用EVERBEING BD-6 型探針臺(tái)在室溫條件下進(jìn)行，光電測量利用JY HR 800 Raman Spectroscopy系統(tǒng)使用激光波長為633nm的He-Ne激光器，長波測量中使用 NKT photonics公司的Supercontinuum laser sources連續(xù)譜激光器，光斑直徑約4 μm。p+型硅襯底作為背柵電極，全部電學(xué)及光電測量都使用 Keithley 4200半導(dǎo)體分析儀。

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

首先研究生長非晶硅隧穿層之前的碳納米管薄膜條帶的電學(xué)特性器件的轉(zhuǎn)移特性曲線如圖 2（a）中藍(lán)色曲線所示呈現(xiàn)典型的 p型摻雜特性。橙色曲線為生長非晶硅薄膜之后的曲線相比初始的藍(lán)色曲線整體左移開關(guān)比略微增大表明Si隧穿層對(duì)器件影響較小且具有一定的封裝效果。使用633nm激光照射器件發(fā)現(xiàn)其轉(zhuǎn)移特性曲線明顯向正柵壓方向漂移如圖2（b）所示。轉(zhuǎn)移特性曲線漂移量隨激光功率的增大而增大器件關(guān)態(tài)電流最小值對(duì)應(yīng)的柵極電壓（Vm）隨入射光功率增大其變化量ΔV由-1 V （0.9μW）變?yōu)?16 V（0.6 mW）（圖2（c）），曲線均呈現(xiàn)明顯的規(guī)律性。圖 2（d）為器件光電流隨柵極電壓變化曲線在不同柵壓下光電流均隨著入射光功率的增大而增大，且當(dāng)柵極電壓為-50 V、入射激光功率為 0.9μW 時(shí)器件響應(yīng)度可以達(dá)到83mA/W而無結(jié)構(gòu) CNT薄膜器件的響應(yīng)度為μA/W 量級(jí)［30］說明實(shí)驗(yàn)所設(shè)計(jì)的復(fù)合結(jié)構(gòu)探測器極大地提高了光探測器的響應(yīng)度。此外圖2（b）顯示器件的暗電流為 nA量級(jí)比基于石墨烯光電器件的暗電流（幾十μA）小近4個(gè)數(shù)量級(jí)［13］。對(duì)于光電導(dǎo)類型探測器其噪聲的主要來源一般是 Johnson噪聲即熱噪聲：

其中k為玻爾茲曼常數(shù)；T為器件工作時(shí)的溫度；B為帶寬；R為無光照時(shí)的電阻與暗電流成反比因此減小暗電流可以有效的提高器件的探測率。圖2（e）顯示器件響應(yīng)度隨激光功率的變化隨著激光功率的增大器件響應(yīng)度不斷減小說明該器件更適合弱光信號(hào)探測。

從光電流隨偏壓的變化關(guān)系（圖3（a））可以看出，隨著偏壓的增大器件的光電流還將繼續(xù)增大表明器件的響應(yīng)度仍有進(jìn)一步提升的空間。圖3（b）為器件的時(shí)間響應(yīng)特性測量時(shí)入射激光功率為0.1 μW，得到響應(yīng)時(shí)間對(duì)應(yīng)的上升沿和下降沿分別約為 285和 559ms。此外這個(gè)響應(yīng)速度可以通過在柵極外加脈沖電場進(jìn)行調(diào)控獲得更快的響應(yīng)［26］。

3 實(shí)驗(yàn)討論

下面分析器件的工作原理。在無光照情況下，石墨烯、非晶硅薄膜和碳納米管薄膜復(fù)合結(jié)構(gòu)體系處于平衡態(tài)。由于石墨烯和碳納米管薄膜摻雜程度不同費(fèi)米能級(jí)拉平時(shí)將在非晶硅層處形成一個(gè)內(nèi)建電勢。當(dāng)激光照射復(fù)合結(jié)構(gòu)表面時(shí)上層石墨烯吸收光并產(chǎn)生空穴電子對(duì)如圖2（f）所示。在內(nèi)建電場的作用下光生空穴更容易從石墨烯層通過非晶硅隧穿至底部的碳納米管薄膜層使石墨烯內(nèi)富集電子碳納米管薄膜內(nèi)富集空穴會(huì)對(duì)碳納米管薄膜施加一個(gè)額外的電場也即產(chǎn)生 photogating效應(yīng)使器件的碳納米管薄膜器件轉(zhuǎn)移特性曲線整體向正向移動(dòng)。通過石墨烯的光吸收引起碳納米管薄膜晶體管的電流變化可以使器件響應(yīng)度得到很大提高。

本實(shí)驗(yàn)采用的器件結(jié)構(gòu)只將石墨烯作為光吸收層而不用做溝道材料一方面充分利用石墨烯寬譜吸收特性另一方面也避免石墨烯較大暗電流導(dǎo)致的低探測率。選擇非晶硅作為隧穿層因其價(jià)帶頂與石墨烯狄拉克點(diǎn)相差較小（約 0.5 eV［26］）有助于石墨烯光生載流子隧穿使電子空穴對(duì)有效分離，延長光激發(fā)電子壽命從而增強(qiáng) photogating效應(yīng)，并且該差值也可同時(shí)滿足長波響應(yīng)要求。此外非晶硅隧穿層厚度選定為6 nm是一個(gè)相對(duì)折中的結(jié)果在這個(gè)厚度下石墨烯里面光激發(fā)的空穴相對(duì)容易隧穿進(jìn)入底層的碳納米管同時(shí)又可有效覆蓋CNT薄膜防止石墨烯與 CNT薄膜直接相連。選擇 CNT薄膜作為溝道材料可以保證器件具有較小暗電流和較高探測率。綜合上述材料以及結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)器件在 photogating效應(yīng)的作用下可將石墨烯的光響應(yīng)轉(zhuǎn)化為 CNT薄膜晶體管轉(zhuǎn)移特性曲線的移動(dòng)有效地增加光電流提高器件光響應(yīng)度。

為進(jìn)一步確認(rèn)上述機(jī)制同時(shí)驗(yàn)證器件的長波響應(yīng)性能我們使用連續(xù)譜激光器分別在1200，1500和 1800 nm的波長下對(duì)器件進(jìn)行光電響應(yīng)測量。圖4（a）為同一器件在不同入射激光波長下得到的響應(yīng)度隨功率的變化。對(duì)比 3個(gè)波長數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)響應(yīng)度均隨入射光功率增大而逐漸減小并表現(xiàn)出對(duì)弱光的探測優(yōu)勢。器件在12001500和1800 nm波長下測量得到的響應(yīng)度分別為11.21.6和1.55mA/W與單純 CNT薄膜光電探測器響應(yīng)度（10 μA/W 量級(jí)）相比有 2～3個(gè)數(shù)量級(jí)的提升說明該器件在長波激光入射下仍能保持較高的響應(yīng)度具備寬譜探測特性。同時(shí)隨著入射光波長增大器件響應(yīng)度也顯示出減小的趨勢這是由于隨著入射光能量不斷降低石墨烯中光激發(fā)的載流子能量也隨之減小隧穿難度增加photogating效應(yīng)減弱，最終導(dǎo)致光電流減小。此外本研究為檢驗(yàn) CNT薄膜是否對(duì)近紅外入射光吸收而產(chǎn)生光響應(yīng)對(duì)只有 CNT薄膜和非晶硅層的器件進(jìn)行光電響應(yīng)測量（1800 nm）得到器件轉(zhuǎn)移特性曲線如圖4（b）所示?？梢悦黠@看出在相同的光照條件下器件轉(zhuǎn)移特性曲線幾乎沒有移動(dòng)在112μW入射光功率和0.5V偏壓條件下響應(yīng)度只有0.34mA/W。由圖4（a）可知在相同條件下有頂層石墨烯的復(fù)合器件響應(yīng)度為0.8mA/W說明在器件中高的響應(yīng)度主要不是來自CNT薄膜光吸收的貢獻(xiàn)。以上結(jié)果表明高純碳納米管-石墨烯復(fù)合探測器結(jié)構(gòu)可以在可見光到紅外光范圍有效增強(qiáng)器件的響應(yīng)度，其中石墨烯層富集的光生電子對(duì)溝道產(chǎn)生的photogaiting效應(yīng)是器件性能增強(qiáng)的主要原因。

4　總結(jié)

本實(shí)驗(yàn)采用石墨烯-碳納米管復(fù)合結(jié)構(gòu)利用頂層的石墨烯進(jìn)行寬譜光吸收其光生電子空穴在隧穿層非晶硅薄膜兩邊富集在光致柵壓效應(yīng)下，CNT薄膜晶體管的轉(zhuǎn)移特性曲線發(fā)生移動(dòng)得到較大的光電流從而使器件具有高響應(yīng)度特性。此外，由于器件使用石墨烯單獨(dú)作為吸收層保證了寬譜響應(yīng)特性而 CNT薄膜本身較小的暗電流又可使器件有較高的探測率。本研究結(jié)果為今后繼續(xù)探索多種材料復(fù)合體系光電探測器奠定了一定的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

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Hybrid CNT Film-Graphene Photodetectors with Low Noise and Broadband

LI ZishenLIU YangXU HaitaoWEI NanYU DangminWANG Sheng?
Key Laboratory for the Physics and Chemistry of Nano DevicesDepartment of ElectronicsPeking UniversityBeijing 100871；
? Corresponding authorE-mail：shengwang@pku.edu.cn

Highly purified semiconducting carbon nanotube （CNT） thin films and graphene are used to fabricate hybrid photodetector. The results indicate that the hot carriers generated in graphene can tunnel into bottom CNT film through nanometer thick silicon film when illuminated. As a resultelectrons and holes are accumulated at separated side of the silicon layerresulting in a modulation of the current in the CNT film transistor due to the photogating effect. The photodetector shows a responsivity of 83mA/W for visible light （633nm） and a good response within the near-infrared range. Such CNT film-graphene photodetectortaking advantages of both broadband absorption of graphene and small dark current of semiconducting CNTspaves the way to future high performance infrared photodetectors.

carbon nanotube；graphene；photodetector；hybrid

TN362；TN386

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（2011CB9330022011CB933001）和國家自然科學(xué)基金（613700096127105161321001）資助

2015-01-26；

2015-05-14；網(wǎng)絡(luò)出版日期：2016-02-11