石墨烯光電探測(cè)器

1、石墨烯光電探測(cè)器第一節(jié)純石墨烯光電探測(cè)器石墨烯光電探測(cè)的相關(guān)原理有關(guān)石墨烯光電探測(cè)和光電子應(yīng)用的關(guān)鍵原理已經(jīng)被報(bào)道。這里包括光伏效應(yīng)，光的熱效應(yīng)，熱輻射效應(yīng)，光選擇效應(yīng)和等離子體波輔助機(jī)制。PhotovokaicBuilt-infieldxPhoto-thermoerectric(a)BolometricH&atsinkc)Radiation,V典匚(b)Dyakonow-Shurd)圖2.1石墨烯光電探測(cè)原理（a）光伏效應(yīng)；（b）光熱電效應(yīng)；（c）測(cè)輻射熱效應(yīng)；（d）輔助的等離子體波機(jī)制（引自27）光伏效應(yīng)光伏電流來(lái)源于由不同摻雜區(qū)域連接處內(nèi)部電場(chǎng)或外置電場(chǎng)所產(chǎn)生的光生電子分離。石墨烯是半導(dǎo)

2、體，自身會(huì)產(chǎn)生了大量的暗電流，不適于外置電路。內(nèi)置區(qū)域可以用本身的化學(xué)摻雜，通過(guò)選通脈沖產(chǎn)生靜電效應(yīng)或者通過(guò)利用好在石墨烯和金屬接觸點(diǎn)的功函數(shù)差別來(lái)引入。石墨烯通道可為P型或N型。光電流的方向僅依賴于電場(chǎng)，而非整體的摻雜程度。因而其可從p-n到n-p,或者從p-p+到p+-p之間轉(zhuǎn)換信號(hào)。光熱電效應(yīng)輔助熱載流子輸運(yùn)在石墨烯中扮演重要地位。由于這種強(qiáng)烈的電子-電子相互作用，光激電子對(duì)可以給載流子快速（10-50fs）加熱。因?yàn)楣忸l聲子能量（200meV）在石墨烯中很大，輻射產(chǎn)生的熱載流子可以保持在一個(gè)溫度J上。最終熱電子會(huì)與晶格之間得到平衡。光生熱電子通過(guò)光熱電效應(yīng)（即PTE或塞貝克效應(yīng)）產(chǎn)生光

3、電壓A.-=（-X）為；，其中（在V是不同摻雜石墨烯區(qū)域的熱電動(dòng)力（溫差電勢(shì)率），出匚是不同區(qū)域電子溫度差。輻射熱效應(yīng)輻射熱效應(yīng)與由入射光子產(chǎn)熱導(dǎo)致的輸運(yùn)電導(dǎo)率變化相關(guān)。一個(gè)輻射熱計(jì)可以通過(guò)吸收入射輻射dP,并讀出導(dǎo)致的溫度變化量dT來(lái)測(cè)量電磁輻射的強(qiáng)度。輻射熱計(jì)的關(guān)鍵常數(shù)有電阻RL=dT/dP，還有熱容量H.，其決定了響應(yīng)時(shí)間-Rj：h28o石墨烯有很小的體積和很低的態(tài)密度，因而得到很低的一和一個(gè)很高的響應(yīng)度。這里不直接產(chǎn)生的光電流，而要求有外置的偏壓，不需要引進(jìn)p-n結(jié)。由入射光引起的電導(dǎo)率變化可歸于以下兩種機(jī)制：由于相關(guān)溫度改變引起載流子遷移率的改變；對(duì)電流有貢獻(xiàn)的載流子數(shù)目的改變（如P

4、V效應(yīng)）。光門效應(yīng)光門效應(yīng)是基于GRM載流子濃度引起的光誘導(dǎo)的改變，因而其電導(dǎo)率M=亠：11二匚卞一。第一，電子-空穴對(duì)的生成發(fā)生在GRM中，隨后其中之一被復(fù)合（例如在陷阱電荷中或者附近納米粒子的分子中）。第二，電子-空穴對(duì)生成發(fā)生在GRM附近的納米粒子中，分子，或者陷阱電荷中。接著，一種載流子轉(zhuǎn)移到GRM，同時(shí)其他的載流子待在微粒，分子或者陷阱中。通過(guò)運(yùn)用高遷移率的導(dǎo)體和長(zhǎng)的響應(yīng)時(shí)間吃，提高光電導(dǎo)的增益人止。同時(shí)，長(zhǎng)的吃減慢了運(yùn)行速度。因而這類探測(cè)器可以被用在低的暫時(shí)頻帶寬度上，例如視頻圖像電流。所以合適的評(píng)估不僅來(lái)自響應(yīng)度，還有其噪聲等效功率（NEP）和特殊的探測(cè)能力11。輔助的等離子體波

5、機(jī)制Dyakonov和Shur提出了一個(gè)光電探測(cè)的方案，即通過(guò)憑借場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）來(lái)產(chǎn)生有限直流電壓來(lái)回應(yīng)振蕩的輻射場(chǎng)。一個(gè)擁有2維電子氣體的FET可以扮演一個(gè)等離子體波的腔體（即密度振蕩）。這些等離子體波只受到微弱的阻擋（即在衰減完之前可從源極到達(dá)漏極），輻射探測(cè)利用了等離子體波在腔體當(dāng)中的相長(zhǎng)干涉，從而引起共振的加強(qiáng)反應(yīng)。在29中，由于THz輻射激發(fā)出的等離子體波是過(guò)阻尼的，因而不能運(yùn)行在共振模式。漏源極之間的電勢(shì)差包含了直流的部分，即使進(jìn)來(lái)的場(chǎng)是交流的，即得到了信號(hào)整流效果。這對(duì)于THz輻射探測(cè)來(lái)說(shuō)非常有用。整流的出現(xiàn)是因?yàn)镕ET通道中2維的電子氣體非線性的響應(yīng)（在30中，包括2維

6、電子氣體流體動(dòng)力學(xué)非線性響應(yīng)）。純石墨烯光電探測(cè)器石墨烯光電流的產(chǎn)生機(jī)理a)(b)圖22（a）上邊：雙通道的石墨烯探測(cè)器（擁有不同摻雜區(qū)域）對(duì)激光束的探測(cè)。下邊：對(duì)應(yīng)上面器件上掃描電流的分布；（b）熱載流子（HC）和光伏效應(yīng)分別產(chǎn)生的光電流與遷移率之間的關(guān)系（a）引自55,（b）引自56）F.Xia等人采用局部掃描光電流成像的方法，得出金屬接觸對(duì)石墨烯通道的電子結(jié)構(gòu)有顯著影響，如圖2.2（a）。這種影響延伸到了接觸以外幾百納米的范圍，隨著柵偏壓的改變，石墨烯中的費(fèi)米能級(jí)位置變化。從而形成PNP或者NPN的電子分布，并且在PN結(jié)處光電流的強(qiáng)度最強(qiáng)。在31,32,33介紹中，XuX等人從理論和實(shí)驗(yàn)

7、上得出在pn結(jié)附近或者在單層和雙層石墨烯（即SLG和BLG）界面上的光響應(yīng)都受制于PTE效應(yīng)。DongSun等人認(rèn)為連續(xù)波激勵(lì)的作用下，電子和晶格溫度相當(dāng)，電學(xué)測(cè)量的速度受到限制，這使我們無(wú)法分辨光電流是受內(nèi)建電場(chǎng)還是光熱電效應(yīng)的主導(dǎo)，也無(wú)法確定熱載流子傳輸和可能存在的載流子倍增效應(yīng)對(duì)高速器件的影響。他們通過(guò)制作背柵和項(xiàng)柵的雙柵石墨烯器件，利用超快激光泵浦探測(cè)技術(shù)，得出結(jié)論：光電流由光激發(fā)后熱載流子溫差電效應(yīng)與內(nèi)建電場(chǎng)效應(yīng)導(dǎo)致的光生電流共同組成，其比例取決于柵電壓與PN結(jié)處的具體參數(shù)。相較于PV效應(yīng)，PTE電流在雙極p-n結(jié)和單極PP：八二結(jié)上會(huì)出現(xiàn)電流反轉(zhuǎn)，導(dǎo)致了光電流信號(hào)六倍的變化。即由P

8、V效應(yīng)與PTE效應(yīng)產(chǎn)生的光電流相抵制，這可以用來(lái)區(qū)別兩者，如圖2.2(b)。在石墨烯金屬界面上的關(guān)于光響應(yīng)的波長(zhǎng)和極化的測(cè)量可以被用來(lái)衡量和控制PTE與PV效應(yīng)的相對(duì)貢獻(xiàn)，后者在長(zhǎng)波方面效果更加顯著。迄今為止，對(duì)于石墨烯中光電流的產(chǎn)生機(jī)理有兩種理論：(1)由于功函數(shù)不同，金屬與石墨烯接觸產(chǎn)生的內(nèi)建電場(chǎng)分離光生載流子從而產(chǎn)生了光電流，即PV效應(yīng)；(2)由于光的激勵(lì)，石墨烯載流子變?yōu)闊彷d流子，由于溫差電效應(yīng)導(dǎo)致光電流產(chǎn)生，即PTE效應(yīng)。金屬-石墨烯-金屬光電探測(cè)器2009年，XiaFN等人制備出了第一個(gè)石墨烯光電探測(cè)器(G-PD)。他們采用石墨烯為有源區(qū)，以熱氧化二氧化硅的硅片為襯底，其在光照下總

9、電流有明顯的偏移，說(shuō)明此器件可用于光探測(cè)，且在無(wú)外加偏壓時(shí)有可觀的光電流產(chǎn)生，這有效降低了器件暗電流影響。研究指出GPD帶寬主要受RC時(shí)間常數(shù)的限制，理論計(jì)算得到石墨烯探測(cè)器的帶寬可高于500GHz,IQEs占帶寬的6-16%。Graphing匚TiGatea)b)圖2.3(a)不對(duì)稱金屬的能帶輪廓，PC為光電流；(b)擁有Pd-Ti不對(duì)稱插指電極結(jié)構(gòu)的石墨烯探測(cè)器(引自57)其中金屬-石墨烯-金屬光電探測(cè)器的光電流受制于由各自金屬與石墨烯接觸面轉(zhuǎn)移的電荷所生成的場(chǎng)，因此可挑選合適金屬來(lái)調(diào)整，還可通過(guò)靜電門摻雜來(lái)加強(qiáng)。另外，具有Feb夾層的石墨烯多分子層可實(shí)現(xiàn)一個(gè)全部基于石墨烯的探測(cè)器。前述中

10、G-PD在兩個(gè)電極附近均有光照時(shí)，由于相同的金屬接觸產(chǎn)生大小相等方向相反的內(nèi)電場(chǎng)，從而導(dǎo)致等大反向的光電流，使得總光電流為零。2010年ThomasMueller等人提出了改進(jìn)的不對(duì)稱插指電極結(jié)構(gòu)的石墨烯探測(cè)器（MSM-PD），如圖2.3（a），（b）所示。其增加了有效的光探測(cè)區(qū)域，進(jìn)而增加光探測(cè)率，又使無(wú)源漏偏壓時(shí)的凈光電流不為零，且實(shí)現(xiàn)零偏壓/零暗電流運(yùn)行。器件在1550nm波長(zhǎng)入射光下得到了6.1mA/W的探測(cè)率，16GHz的帶寬。IIIIIII|IIIIII11I-OJ110Freqjency(GHz)OHequency(GH?i（a）（b）圖24（a）不同的數(shù)據(jù)流段中的一個(gè)覆蓋圖；（

11、b）高頻測(cè)試，顯示了器件在高達(dá)40GHz的頻率下仍然性能良好，插圖是在不同的柵極電壓下的光響應(yīng)率（包括直流與高頻交流測(cè)試（引自57）在圖2.3（b）中，此MGM-PD被放置在光鏈路中，從而可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)10Gbit廠的數(shù)據(jù)流無(wú)差錯(cuò)光學(xué)數(shù)據(jù)傳輸。圖2.4（a）是不同的數(shù)據(jù)流段中的一個(gè)覆蓋圖，也表明了在高速數(shù)位傳輸下的數(shù)據(jù)量。在一個(gè)單獨(dú)的金屬-石墨烯結(jié)中，在上至40GHz的調(diào)制頻率下，有0.5mA/W的響應(yīng)率，并無(wú)沒(méi)有衰減，進(jìn)行全光學(xué)測(cè)量可得到一個(gè)262GHz的本身固有帶寬。純石墨烯光電探測(cè)器優(yōu)點(diǎn)與不足總的來(lái)說(shuō)，基于石墨烯的光電器件具有幾個(gè)明顯的優(yōu)勢(shì)：1）光與石墨烯強(qiáng)烈的相互作用。與化合物半導(dǎo)體相比

12、較，石墨烯擁有更強(qiáng)烈的帶間光學(xué)躍遷。2）寬帶寬操作。石墨烯的光吸收獨(dú)立于波長(zhǎng)，覆蓋所有的電訊通信帶寬，包括中、遠(yuǎn)紅外。3）高速運(yùn)行。由于石墨烯載流子遷移率室溫下高達(dá)200000門/Vs,費(fèi)米能級(jí)可迅速的填充。石墨烯的操作速度限制在皮秒級(jí)別（如光載流子的產(chǎn)生和釋放），這意味著器件有在500GHz操作的潛能。4）石墨烯獨(dú)特的光電性能以及能與CMOS技術(shù)兼容。distancegm)1009Swh-telightidealWieory:graphew0006如中匚E起一上500600700wavelengthAnm)（a）（b）圖24（a）單、雙層石墨烯對(duì)光吸收情況；（b）單層石墨烯與理想狄拉克費(fèi)米子

13、之間透過(guò)濾的差異，內(nèi)圖為不同層數(shù)石墨烯透過(guò)率（引自58）另外，基于石墨烯的光電器件還有兩個(gè)主要缺點(diǎn)：1）零帶隙和短的載流子壽命。零帶隙會(huì)給其光電應(yīng)用帶來(lái)缺點(diǎn)，例如，當(dāng)作為光開(kāi)關(guān)時(shí)重要的關(guān)閉狀態(tài)，用純石墨烯作為光電器件活性層時(shí)相比傳統(tǒng)材料會(huì)顯著降低開(kāi)路電壓Voc的值。因此，作為光電及光能量轉(zhuǎn)換應(yīng)用，必須打開(kāi)石墨烯的帶隙。在純的石墨烯中光生載流子壽命太短（ps尺度），會(huì)導(dǎo)致一個(gè)低的內(nèi)量子效率約為6-16%。2）光電轉(zhuǎn)換效率低。由于石墨烯是世界上最薄的材料，幾乎不吸收光（約2.3%），如圖2.4（a）所示，絕大部分的光線都穿過(guò)了石墨烯而無(wú)法產(chǎn)生電能。幾種增強(qiáng)石墨烯光電探測(cè)性能的方法石墨烯光電探測(cè)器的

14、探測(cè)率相比于傳統(tǒng)探測(cè)器而言還是很小，主要原因在于：（1）光吸收效率低，單層只有2.3%的吸收率。（2）光生載流子的收集困難。這就需要新的光吸收復(fù)合材料。增加光吸收的幾種方法一種增強(qiáng)光吸收的方法是把光集中到光學(xué)微型腔體或平面光子晶體的腔體當(dāng)中。FurchiM等人將石墨烯置于F-P諧振腔中，提出了微腔集成的石墨烯探測(cè)器，如圖2.5（a）所示。諧振腔應(yīng)用了分布式布拉格反射體，即四分之一厚的交替材料層，上下高反鏡對(duì)光的多次反射，進(jìn)而多次穿過(guò)SLG，這使光吸收效率增加到了60%,得到了2lmA/W的探測(cè)效率。如圖，雖然響應(yīng)率的提升犧牲了光譜帶寬，但如果一個(gè)低損失的腔體可以在滿意的波長(zhǎng)區(qū)域內(nèi)得以實(shí)現(xiàn)，則設(shè)

15、計(jì)時(shí)波長(zhǎng)可以被選擇。Muallrwlofa)b)圖25(a)光電探測(cè)器分別在有無(wú)微諧振腔時(shí)光電流隨波長(zhǎng)的響應(yīng)圖，插圖為微諧振腔;(b)具有波導(dǎo)管的石墨烯探測(cè)器(引自59)另一種方法牽涉到石墨烯與光學(xué)波導(dǎo)管的平面集成。KinamKim等人從理論上提出了波導(dǎo)集成的石墨烯探測(cè)器，利用消逝波耦合,將器件設(shè)計(jì)為側(cè)入射方式,從而提高石墨烯的光吸收效率，如圖2.5(b)。20GHz以上帶寬和12Gbit-PbS&ai-IVbias-二TiO金事嬉總朋時(shí)THbiM:PlbSi&d謀ik一p&sslightl4rk-Pis?Gj,no2daiitFL|bS*/Qliht-Pb彌Grnoglight2訕1E-31

16、E-41E-51E41E*71E-STiOj/noi；*hfl(d)I圖2.12Ti-PbSe/G三重復(fù)合體系光探測(cè)器（a）柔性基底上大面積印刷的G/PbSe/TilJ-光探測(cè)器，及多相組裝G/PbSe/T-光探測(cè)器的原理示意圖，紅色和藍(lán)色的箭頭分別代表偏壓驅(qū)動(dòng)下穿過(guò)石墨烯網(wǎng)格的光生電子及空穴；（b）PbSe/T-納米晶粒的高分辨率透射電鏡圖片（200kV）；（c）PbSe,FLG/PbSe及三重G/PbSe/Ti。光電探測(cè)器在黑暗中與白光下（100mWm）的電流-電壓曲線；（d）在1V偏壓下不同波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的探測(cè)靈敏度曲線（引自68）新加坡國(guó)立大學(xué)的Loh等人制備了雜化石墨烯-PbSe-Ti2光

17、電探測(cè)器，見(jiàn)圖2.12。從圖2.12（b）可知，Ti與PbS都是以量子點(diǎn)的形式存在于石墨烯基底上，從圖2.12（c）中有/無(wú)光照情況下光電流密度隨偏壓的變化曲線圖可知，G-PbSe-Ti匕復(fù)合材料的光電流密度要比單獨(dú)的高很多，在1V偏壓100mW二匚白光下達(dá)到50mA工光響應(yīng)度達(dá)到0.5A光傳導(dǎo)增益有140%?？偟膩?lái)說(shuō)，雖然量子點(diǎn)-石墨烯的研究取得了一些結(jié)果，但仍不能滿足實(shí)用化需要。不足之處在于石墨烯表面反應(yīng)的不可控性，進(jìn)而導(dǎo)致復(fù)合物中量子點(diǎn)的尺寸大小不可控性，及受尺寸依賴的性質(zhì)受到限制。第三節(jié)其他幾種石墨烯光電探測(cè)器2.3.1石墨烯-半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)光電探測(cè)器石墨烯與第四主族元素的平面結(jié)，像混合

18、半導(dǎo)體一樣，可以扮演肖特基二極管的角色。這些器件擁有自身整流能力，且擁有一個(gè)有賴于半導(dǎo)體材料的勢(shì)壘。由于暗電流很小，半導(dǎo)體-石墨烯光電探測(cè)器可運(yùn)行在反偏電壓下，相應(yīng)譜帶輪廓見(jiàn)圖2.13（a）。光吸收發(fā)生在半導(dǎo)體上，同時(shí)透明的SLG作為了電荷載流子的收集者。T10_2Voltage(V)CarkIncreiasingpowerP=0._6SmWs記二nuI-也(6.5mW).5.2O（a）（b）圖213（a）石墨烯-半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的能帶輪廓，VB、CB分別為Si的價(jià)帶和導(dǎo)帶；（b）有無(wú)光照時(shí)石墨烯-半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的伏安特性曲線（引自69）在圖2.13（b）中,半導(dǎo)體-石墨烯光電探測(cè)器從常見(jiàn)的光電二極

19、管響應(yīng)中（紅色虛線）脫離出來(lái)：由于小的偏壓（幾）導(dǎo)致光電流受到抑制，因?yàn)樨慰刂屏耸┲械牟?，因而控制著照明下的半?dǎo)體注入的光激空穴的有效狀態(tài)數(shù)。這可應(yīng)用到亮度調(diào)節(jié)上，使其運(yùn)行在六個(gè)數(shù)量級(jí)的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)。像在Si-石墨烯連接處，IQE=10%（般肖特基二極管中IQE約為1%）。集成波導(dǎo)管器件也使響應(yīng)率0.13A的MIR探測(cè)成為可能，并為未來(lái)高性價(jià)比的MIR做好了準(zhǔn)備?；谑┑妮椛錈釡y(cè)定器光誘導(dǎo)產(chǎn)生的過(guò)剩載流子使電導(dǎo)率提高，然而遷移率對(duì)溫度的依賴關(guān)系導(dǎo)致了電導(dǎo)系數(shù)的下降。通過(guò)改變卜丁，可以控制轉(zhuǎn)換兩種效應(yīng)的主導(dǎo)程度。狄拉克點(diǎn)附近的載流子濃度很低，PV效應(yīng)占主導(dǎo)，在遠(yuǎn)處，PTE效應(yīng)站主角70。i

20、lSiliconTiA7a/|A7b/|lemperlureCK)(c)3了多匚立)黑匚聞甘岀一丘衛(wèi)一圖2.14(a)雙通道雙層石墨烯輻射熱器的結(jié)構(gòu)示意圖；(b)石墨烯-鋁輻射熱探測(cè)器的結(jié)構(gòu)示意圖；(c)熱電阻與溫度的關(guān)系曲線(a)、(c)引自71,(b)引自72)由于石墨烯低電阻對(duì)溫度的依賴系數(shù)高，進(jìn)而很大的影響讀取的dT。因此,室溫下的石墨烯輻射熱測(cè)定器可以檢測(cè)到一個(gè)很小的0.2mA也一響應(yīng)率。為解決這個(gè)問(wèn)題，一個(gè)用來(lái)在狄拉克點(diǎn)破開(kāi)帶隙的，有透明頂門的雙柵BLG器件出現(xiàn)，并得到了依賴于的電阻，如圖2.14(a)。在圖2.14(c)中，熱電阻有廠的比例關(guān)系，這大約與光子冷卻的理論期望值丁“相一致。探測(cè)器顯示了很高的性能：在T=5K時(shí)，NEP約為33fWH廠，固有帶寬大于1GHz。另外，還可以通過(guò)加擾動(dòng)使得電子系統(tǒng)進(jìn)入一個(gè)很強(qiáng)的局域模式，以使石墨烯電阻與溫度相關(guān)，這已被低溫下的石墨烯探測(cè)薄膜實(shí)現(xiàn)了。圖2.14(b)展示了石墨烯-超導(dǎo)體隧道結(jié)輻射熱測(cè)定器。雖然72中的器件是用高頻波測(cè)量的，但是其概念機(jī)制仍可被應(yīng)用到光探測(cè)上面73。兆赫光電探測(cè)器