光探测器广泛应用于成像、通讯、探测等领域^[1-4], 宽光谱探测是一个重点发展方向^[5-6]。由于石墨烯具有独特的能带结构, 使其拥有优异的宽光谱吸收特性, 成为制备宽光谱光电探测器的良好材料。另外, 石墨烯具有高的载流子迁移率, 在高速光电器件应用方面具有非常大的潜力^[4]。虽然石墨烯具有很高的吸收率, 但单层石墨烯光吸收较低^[7], 导致器件响应度低, 与现有的商用探测器相差较大。因此, 关于石墨烯光探测器的研究主要围绕如何提高光响应度展开^[8-16]。

由于石墨烯具有零带隙的能带结构, 一方面在光激发下, 表现出从紫外到红外波段的宽谱响应特性^{[9, 12-13]}, 另一方面因其光生空穴电子对寿命很短, 通常在皮秒量级(10^-12s)^[8], 在没有电场作用的情况下, 非常容易复合, 难以形成光电流。因此, 基于石墨烯的光电探测器通常利用石墨烯与接触电极形成的内建电场将光生载流子分离。该内建电场是由于电极对所接触石墨烯的掺杂, 导致在电极接触区附近产生能带弯曲^[9-13]。相关研究结果表明, 基于接触电极掺杂的石墨烯光电器件的有效作用区域只集中在电极附近, 一般仅为几百nm, 较小的有效工作区域使器件响应度大部分为mA/W量级。石墨烯光探测器还可与表面等离激元金属结构^[17-21]或微腔结构相结合^[22-23]。由于这两种结构均可使局部光场强度产生数量级的提升, 当石墨烯位于其光场增强位置时, 将极大的增强石墨烯与光场的相互作用, 有效提高器件的响应度, 达到几十mA/W量级。但是, 上述结构对波长的响应具有选择性, 使器件不能够发挥石墨烯的宽谱响应特性。

此外, 关于量子点与石墨烯的复合结构光探测器已有报道^[24-25]。这种复合光探测器的工作原理主要是基于两种材料中载流子存在巨大的迁移率差别(达到3个数量级以上, 其中PbS量子点中的载流子迁移率非常低(1×10^-3~1 cm²/(V·s)), 而石墨烯中的载流子迁移率非常高(约1×10³ cm²/(V·s)), 量子点材料在光激发下产生的载流子引起的光致栅压(photogating)效应, 即限制在量子点中的光生载流子, 通过电容耦合影响石墨烯沟道的电阻, 使器件转移特性曲线发生漂移, 器件在可见光波段的响应度最高可达10⁷A/W^[24-25]。由于器件中主要光吸收材料是量子点, 而PbS量子点光吸收只能到近红外波长, 因此量子点石墨烯复合器件的长波响应一般截止到1500 nm, 没有充分发挥石墨烯的宽谱吸收特性, 同时其光响应速度很低, 暗电流也较大。采用顶层石墨烯作为吸光材料, 底层石墨烯作为沟道材料, 利用photogating效应可以获得可见到中红外宽谱的光探测性能^[26]。但是, 由于石墨烯的零带隙结构, 对应器件暗电流较大, 导致探测率相对较低。高纯半导体碳纳米管(CNT)薄膜是一种具有优异电学特性的薄膜材料, 具有暗电流小等特点, 有利于提高光电器件的探测率。本文主要研究高纯碳纳米管薄膜和石墨烯复合光探测器, 底层使用定向排列的99%高纯CNT薄膜作为沟道材料^[27], 顶层采用单层石墨烯作为光吸收材料, 利用photogating效应增大器件响应度, 同时保持器件的宽谱探测特性和较小的暗电流, 充分发挥上述两种材料在光电探测器中的优势。

1 器件结构及实验方法

图 1(a)为实验所制备器件的示意图, 图 1(b)为器件截面示意图, 图 1(c)为器件扫描电子显微镜(SEM)照片。碳纳米管薄膜材料为99%高纯半导体碳纳米管(NanoIntegris公司)。利用咖啡环效应, 采用蒸发自组装方式^[27-28]制备定向排列的碳纳米管条带薄膜, 如图 1(d)的SEM照片所示, 条带的宽度一般为10~12 μm。使用电子束曝光及剥离工艺在CNT薄膜上制作源漏电极, 电极所用金属为Ti/Pd (0.5 nm/30 nm)。使用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)在沟道CNT薄膜上生长厚度约为6 nm的非晶硅作为隧穿层。最后将石墨烯转移到器件表面, 并采用反应离子刻蚀(RIE)工艺将石墨烯刻蚀为图 1(c)中蓝色区域大小, 以防止石墨烯与源漏电极连接, 造成短路。石墨烯是在铂片上使用化学气相沉积(CVD)方法生长得到^[29]。

器件的电学测量使用EVERBEING BD-6型探针台在室温条件下进行, 光电测量利用JY HR 800 Raman Spectroscopy系统, 使用激光波长为633 nm的He-Ne激光器, 长波测量中使用NKT photonics公司的Supercontinuum laser sources连续谱激光器, 光斑直径约4 μm。p⁺型硅衬底作为背栅电极, 全部电学及光电测量都使用Keithley 4200半导体分析仪。

2 实验结果

首先研究生长非晶硅隧穿层之前的碳纳米管薄膜条带的电学特性, 器件的转移特性曲线如图 2(a)中蓝色曲线所示, 呈现典型的p型掺杂特性。橙色曲线为生长非晶硅薄膜之后的曲线, 相比初始的蓝色曲线整体左移, 开关比略微增大, 表明Si隧穿层对器件影响较小, 且具有一定的封装效果。使用633 nm激光照射器件, 发现其转移特性曲线明显向正栅压方向漂移, 如图 2(b)所示。转移特性曲线漂移量随激光功率的增大而增大, 器件关态电流最小值对应的栅极电压(V_m)随入射光功率增大, 其变化量ΔV由-1 V (0.9 μW)变为-16 V (0.6 mW)(图 2(c)), 曲线均呈现明显的规律性。图 2(d)为器件光电流随栅极电压变化曲线, 在不同栅压下, 光电流均随着入射光功率的增大而增大, 且当栅极电压为-50 V、入射激光功率为0.9 μW时, 器件响应度可以达到83 mA/W, 而无结构CNT薄膜器件的响应度为μA/W量级^[30], 说明实验所设计的复合结构探测器极大地提高了光探测器的响应度。此外, 图 2(b)显示器件的暗电流为nA量级, 比基于石墨烯光电器件的暗电流(几十μA)小近4个数量级^[13]。对于光电导类型探测器, 其噪声的主要来源一般是Johnson噪声, 即热噪声:

$ i_j^2 = \frac{{4kTB}}{R} $

其中, k为玻尔兹曼常数; T为器件工作时的温度; B为带宽; R为无光照时的电阻, 与暗电流成反比, 因此减小暗电流可以有效的提高器件的探测率。图 2(e)显示器件响应度随激光功率的变化, 随着激光功率的增大, 器件响应度不断减小, 说明该器件更适合弱光信号探测。

从光电流随偏压的变化关系(图 3(a))可以看出, 随着偏压的增大, 器件的光电流还将继续增大, 表明器件的响应度仍有进一步提升的空间。图 3(b)为器件的时间响应特性, 测量时入射激光功率为0.1 μW，得到响应时间对应的上升沿和下降沿分别约为285和559 ms。此外这个响应速度可以通过在栅极外加脉冲电场进行调控, 获得更快的响应^[26]。

3 实验讨论

下面分析器件的工作原理。在无光照情况下, 石墨烯、非晶硅薄膜和碳纳米管薄膜复合结构体系处于平衡态。由于石墨烯和碳纳米管薄膜掺杂程度不同, 费米能级拉平时, 将在非晶硅层处形成一个内建电势。当激光照射复合结构表面时, 上层石墨烯吸收光并产生空穴电子对, 如图 2(f)所示。在内建电场的作用下, 光生空穴更容易从石墨烯层通过非晶硅隧穿至底部的碳纳米管薄膜层, 使石墨烯内富集电子, 碳纳米管薄膜内富集空穴, 会对碳纳米管薄膜施加一个额外的电场, 也即产生photogating效应, 使器件的碳纳米管薄膜器件转移特性曲线整体向正向移动。通过石墨烯的光吸收引起碳纳米管薄膜晶体管的电流变化, 可以使器件响应度得到很大提高。

本实验采用的器件结构只将石墨烯作为光吸收层, 而不用做沟道材料, 一方面充分利用石墨烯宽谱吸收特性, 另一方面也避免石墨烯较大暗电流导致的低探测率。选择非晶硅作为隧穿层, 因其价带顶与石墨烯狄拉克点相差较小(约0.5 eV^[26]), 有助于石墨烯光生载流子隧穿, 使电子空穴对有效分离, 延长光激发电子寿命, 从而增强photogating效应, 并且该差值也可同时满足长波响应要求。此外, 非晶硅隧穿层厚度选定为6 nm, 是一个相对折中的结果, 在这个厚度下, 石墨烯里面光激发的空穴相对容易隧穿进入底层的碳纳米管, 同时又可有效覆盖CNT薄膜, 防止石墨烯与CNT薄膜直接相连。选择CNT薄膜作为沟道材料, 可以保证器件具有较小暗电流和较高探测率。综合上述材料以及结构的特点, 器件在photogating效应的作用下可将石墨烯的光响应转化为CNT薄膜晶体管转移特性曲线的移动, 有效地增加光电流, 提高器件光响应度。

为进一步确认上述机制, 同时验证器件的长波响应性能, 我们使用连续谱激光器分别在1200, 1500和1800 nm的波长下对器件进行光电响应测量。图 4(a)为同一器件在不同入射激光波长下得到的响应度随功率的变化。对比3个波长数据, 发现响应度均随入射光功率增大而逐渐减小, 并表现出对弱光的探测优势。器件在1200, 1500和1800 nm波长下测量得到的响应度分别为11.2, 1.6和1.55mA/W, 与单纯CNT薄膜光电探测器响应度(10 μA/W量级)相比, 有2~3个数量级的提升, 说明该器件在长波激光入射下仍能保持较高的响应度, 具备宽谱探测特性。同时, 随着入射光波长增大, 器件响应度也显示出减小的趋势, 这是由于随着入射光能量不断降低, 石墨烯中光激发的载流子能量也随之减小, 隧穿难度增加, photogating效应减弱, 最终导致光电流减小。此外, 本研究为检验CNT薄膜是否对近红外入射光吸收而产生光响应, 对只有CNT薄膜和非晶硅层的器件进行光电响应测量(1800 nm), 得到器件转移特性曲线, 如图 4(b)所示。可以明显看出, 在相同的光照条件下, 器件转移特性曲线几乎没有移动, 在112 μW入射光功率和0.5 V偏压条件下, 响应度只有0.34 mA/W。由图 4(a)可知, 在相同条件下, 有顶层石墨烯的复合器件响应度为0.8 mA/W, 说明在器件中高的响应度主要不是来自CNT薄膜光吸收的贡献。以上结果表明, 高纯碳纳米管-石墨烯复合探测器结构可以在可见光到红外光范围有效增强器件的响应度, 其中石墨烯层富集的光生电子对沟道产生的photogaiting效应是器件性能增强的主要原因。

4 总结

本实验采用石墨烯-碳纳米管复合结构, 利用顶层的石墨烯进行宽谱光吸收, 其光生电子空穴在隧穿层非晶硅薄膜两边富集, 在光致栅压效应下, CNT薄膜晶体管的转移特性曲线发生移动, 得到较大的光电流, 从而使器件具有高响应度特性。此外, 由于器件使用石墨烯单独作为吸收层, 保证了宽谱响应特性, 而CNT薄膜本身较小的暗电流又可使器件有较高的探测率。本研究结果为今后继续探索多种材料复合体系光电探测器奠定了一定的实验基础。