石墨烯光电探测器.docx

石墨烯光电探测器第一节 纯石墨烯光电探测器2.1.1 石墨烯光电探测的相关原理有关石墨烯光电探测和光电子应用的关键原理已经被报道这里包括光伏效 应，光的热效应，热辐射效应，光选择效应和等离子体波辅助机制PhotovokaicBuilt-in fieldxPh oto-t her moerectric(a)BolometricH&at sinkc)Radiation, V典匚'(b)Dyakonow-Shu rd)图2.1石墨烯光电探测原理（a）光伏效应；（b）光热电效应；（c）测辐射热效应；（d）辅助的等离子体波机制（引自［27］）光伏效应光伏电流来源于由不同掺杂区域连接处内部电场或外置电场所产生的光生 电子分离石墨烯是半导体，自身会产生了大量的暗电流，不适于外置电路内 置区域可以用本身的化学掺杂，通过选通脉冲产生静电效应或者通过利用好在石 墨烯和金属接触点的功函数差别来引入石墨烯通道可为P型或N型光电流的 方向仅依赖于电场，而非整体的掺杂程度因而其可从p-n到n-p,或者从p-p+到 p+-p之间转换信号光热电效应辅助热载流子输运在石墨烯中扮演重要地位由于这种强烈的电子 -电子相 互作用，光激电子对可以给载流子快速（〜10-50fs）加热。

因为光频声子能量（〜200meV）在石墨烯中很大，辐射产生的热载流子可以保持在一个温度 J上最终热电子会与晶格之间得到平衡光生热电子通过光热电效应（即PTE或塞贝克效应）产生光电压 'A .-= （ \- X） 为；，其中 （在V 是不同掺杂石墨烯区域的热电动力（温差电势率）， 出匚是不同区域电子温度差辐射热效应辐射热效应与由入射光子产热导致的输运电导率变化相关一个辐射热计可 以通过吸收入射辐射dP,并读出导致的温度变化量dT来测量电磁辐射的强度 辐射热计的关键常数有电阻 RL=dT/dP，还有热容量 H.，其决定了响应时间 -Rj：h[28]o石墨烯有很小的体积和很低的态密度，因而得到很低的©一和一个很高的响应度这里不直接产生的光电流，而要求有外置的偏压， 不需要引进p-n结由入射光引起的电导率变化可归于以下两种机制：⑴由于相关温度改变引起载 流子迁移率的改变；⑵对电流有贡献的载流子数目的改变（如PV效应）光门效应光门效应是基于GRM载流子浓度 引起的光诱导的改变，因而其电导率 M= 亠：11・「」二匚卞一第一，电子-空穴对的生成发生在GRM中，随后其中之一被复合（例如在陷阱电荷中或者附近纳米粒子的分子中）。

第 二，电子-空穴对生成发生在GRM附近的纳米粒子中，分子，或者陷阱电荷中 接着，一种载流子转移到GRM，同时其他的载流子待在微粒，分子或者陷阱中通过运用高迁移率的导体和长的响应时间 吃，提高光电导的增益人止同时，长的 吃减慢了运行速度因而这类探测器可以被用在低的 暂时频带宽度上，例如视频图像电流所以合适的评估不仅来自响应度，还有其 噪声等效功率（NEP）和特殊的探测能力 11辅助的等离子体波机制Dyakonov和Shur提出了一个光电探测的方案，即通过凭借场效应晶体管（FET）来产生有限直流电压来回应振荡的辐射场一个拥有2维电子气体的FET 可以扮演一个等离子体波的腔体（即密度振荡）这些等离子体波只受到微弱的 阻挡（即在衰减完之前可从源极到达漏极），辐射探测利用了等离子体波在腔体 当中的相长干涉，从而引起共振的加强反应在［29］中，由于THz辐射激发出的 等离子体波是过阻尼的，因而不能运行在共振模式漏源极之间的电势差包含了直流的部分，即使进来的场是交流的，即得到了 信号整流效果这对于THz辐射探测来说非常有用整流的出现是因为FET通道 中2维的电子气体非线性的响应（在［30］中，包括2维电子气体流体动力学非线性 响应）。

2.1.2 纯石墨烯光电探测器石墨烯光电流的产生机理a) (b)图2・2 （a）上边：双通道的石墨烯探测器（拥有不同掺杂区域）对激光束的探测下边： 对应上面器件上扫描电流的分布；（b）热载流子（HC）和光伏效应分别产生的光电流与迁 移率之间的关系（（a）引自［55］, （b）引自［56］）F. Xia等人采用局部扫描光电流成像的方法，得出金属接触对石墨烯通道的 电子结构有显著影响，如图2.2 （a）这种影响延伸到了接触以外几百纳米的范 围，随着栅偏压的改变，石墨烯中的费米能级位置变化从而形成PNP或者NPN 的电子分布，并且在PN结处光电流的强度最强在［31,32,33］介绍中，Xu X等人从理论和实验上得出在pn结附近或者在单层 和双层石墨烯（即SLG和BLG）界面上的光响应都受制于PTE效应Dong Sun等 人认为连续波激励的作用下，电子和晶格温度相当，电学测量的速度受到限制， 这使我们无法分辨光电流是受内建电场还是光热电效应的主导，也无法确定热载 流子传输和可能存在的载流子倍增效应对高速器件的影响他们通过制作背栅和 项栅的双栅石墨烯器件，利用超快激光泵浦探测技术，得出结论：光电流由光激 发后热载流子温差电效应与内建电场效应导致的光生电流共同组成，其比例取决 于栅电压与PN结处的具体参数。

相较于PV效应，PTE电流在双极p-n结和单极 P P： 八二」结上会出现电 流反转，导致了光电流信号六倍的变化即由PV效应与PTE效应产生的光电流相 抵制，这可以用来区别两者，如图2.2 (b)在石墨烯金属界面上的关于光响应 的波长和极化的测量可以被用来衡量和控制PTE与PV效应的相对贡献，后者在长 波方面效果更加显著迄今为止，对于石墨烯中光电流的产生机理有两种理论：(1)由于功函数不 同，金属与石墨烯接触产生的内建电场分离光生载流子从而产生了光电流，即PV 效应；(2)由于光的激励，石墨烯载流子变为热载流子，由于温差电效应导致光 电流产生，即PTE效应金属-石墨烯-金属光电探测器2009年，Xia F N等人制备出了第一个石墨烯光电探测器(G-PD)他们采用 石墨烯为有源区，以热氧化二氧化硅的硅片为衬底，其在光照下总电流有明显的 偏移，说明此器件可用于光探测，且在无外加偏压时有可观的光电流产生，这有 效降低了器件暗电流影响研究指出G PD带宽主要受RC时间常数的限制，理论 计算得到石墨烯探测器的带宽可高于500 GHz, IQEs占带宽的6-16%Graphing匚TiGatea)b)图2.3 (a)不对称金属的能带轮廓，PC为光电流；(b)拥有Pd-Ti不对称插指电极结构的石墨烯探测器 (引自[57])其中金属-石墨烯-金属光电探测器的光电流受制于由各自金属与石墨烯接触面转移的电荷所生成的场，因此可挑选合适金属来调整，还可通过静电门掺杂来加强。

另外，具有Fe 「b夹层的石墨烯多分子层可实现一个全部基于石墨烯的 探测器前述中G-PD在两个电极附近均有光照时，由于相同的金属接触产生大小相 等方向相反的内电场，从而导致等大反向的光电流，使得总光电流为零2010年Thomas Mueller等人提出了改进的不对称插指电极结构的石墨烯探 测器（MSM-PD），如图2.3（a），（b）所示其增加了有效的光探测区域，进而 增加光探测率，又使无源漏偏压时的净光电流不为零，且实现零偏压 /零暗电流 运行器件在1550 nm波长入射光下得到了 6.1 mA/W的探测率，16 GHz的带宽I I~I~I I I I || I I I~II I 11 I -—OJ 1 10Freq jency (GHz)OHequency (GH?i（a） （b）图2・4 （a）不同的数据流段中的一个覆盖图；（b）高频测试，显示了器件在高达40GHz的频率下仍然性能良好，插图是在不同的栅极电压下的光响应率（包括直流与高频交流测试（引自 [57]）在图2.3 （b）中，此MGM-PD被放置在光链路中，从而可以实现一个10Gbit ■■厂•的数据流无差错光学数据传输图2.4（a）是不同的数据流段中的一个覆 盖图，也表明了在高速数位传输下的数据量。

在一个单独的金属-石墨烯结中， 在上至40GHz的调制频率下，有0.5 mA/W的响应率，并无没有衰减，进行全光 学测量可得到一个262GHz的本身固有带宽纯石墨烯光电探测器优点与不足总的来说，基于石墨烯的光电器件具有几个明显的优势：1）光与石墨烯强 烈的相互作用与化合物半导体相比较，石墨烯拥有更强烈的带间光学跃迁 2） 宽带宽操作石墨烯的光吸收独立于波长，覆盖所有的电讯通信带宽，包括中、 远红外3）高速运行由于石墨烯载流子迁移率室温下高达200000 门〃/V・s, 费米能级可迅速的填充石墨烯的操作速度限制在皮秒级别（如光载流子的产生 和释放），这意味着器件有在500GHz操作的潜能4）石墨烯独特的光电性能以 及能与CMOS技术兼容distance gm)1009Swh-te light idealWieory: graphew0006 如中匚E起一上500 600 700wavelength A {nm)（a） （b）图2・4 （a）单、双层石墨烯对光吸收情况；（b）单层石墨烯与理想狄拉克费米子之间透过滤的差异，内图为不同层数石墨烯透过率（引自［58］）另外，基于石墨烯的光电器件还有两个主要缺点：1）零带隙和短的载流子 寿命。

零带隙会给其光电应用带来缺点，例如，当作为光开关时重要的关闭状态， 用纯石墨烯作为光电器件活性层时相比传统材料会显著降低开路电压Voc的值 因此，作为光电及光能量转换应用，必须打开石墨烯的带隙在纯的石墨烯中光 生载流子寿命太短（ps尺度），会导致一个低的内量子效率约为6 -16%2）光 电转换效率低由于石墨烯是世界上最薄的材料，几乎不吸收光（约2.3 %），如图 2.4 （a）所示，绝大部分的光线都穿过了石墨烯而无法产生电能2.1.3 几种增强石墨烯光电探测性能的方法石墨烯光电探测器的探测率相比于传统探测器而言还是很小，主要原因在 于：（1） 光吸收效率低，单层只有2.3 %的吸收率 （2） 光生载流子的收集困难 这就需要新的光吸收复合材料增加光吸收的几种方法一种增强光吸收的方法是把光集中到光学微型腔体或平面光子晶体的腔体 当中Furchi M等人将石墨烯置于F-P谐振腔中，提出了微腔集成的石墨烯探测 器，如图2.5（a）所示谐振腔应用了分布式布拉格反射体，即四分之一厚的交 替材料层，上下高反镜对光的多次反射，进而多次穿过SLG，这使光吸收效率增 加到了60 %,得到了 2l mA/W的探测效率。

如图，虽然响应率的提升牺牲了光谱 带宽，但如果一个低损失的腔体可以在满意的波长区域内得以实现，则设计时波长可以被选择■Muallrwlofa)b)图2・5 (a)光电探测器分别在有无微谐振腔时光电流随波长的响应图，插图为微谐振腔;(b)具有波导管的石墨烯探测器(引自[59])另一种方法牵涉到石墨烯与光学波导管的平面集成Kinam Kim等人从理论 上提出了波导集成的石墨烯探测器，利用消逝波耦合,将器件设计为侧入射方式, 从而提高石墨烯的光吸收效率，如图2.5 (b)20GHz以上带宽和12Gbit <数据处理都已被验证，显示出了其在数据高速传输方面的潜力报告中的响应频 率在0.05-0.13A 炸「范围内，这与先进的GeSn[60制的光电探测器持平其是在长波波段(L和U)能与Si光电探测器兼容的最理想候选材料之一a)b)图2・6。