高性能碳納米管光電器件和光電集成.pdf

1、光電集成系統(tǒng)是現(xiàn)代光纖通信的基礎(chǔ),也是構(gòu)建微納米尺度高速光互連的基本要素。遠(yuǎn)距離、低損耗的通信要求其光學(xué)元件可以工作于紅外波段(1.55μm);隨著光纖網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的推進(jìn),大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)要求光學(xué)器件與電子器件加工工藝相兼容。硅基材料作為當(dāng)前集成電路的主流材料,受限于間接帶隙的能帶特征,其光電轉(zhuǎn)換效率低,不適用于構(gòu)建高效光電器件,如何進(jìn)一步構(gòu)建高效并與硅基集成電路匹配的光電器件成為當(dāng)前光電器件和光電集成的重要研究課題。目前,雖然光電材料種類繁

2、多,但多數(shù)光響應(yīng)為可見波段,且室溫下的響應(yīng)度低,而更重要的一點(diǎn)是大多數(shù)光電器件的工藝與硅基電路不匹配,導(dǎo)致制備過程繁瑣、成本高昂,難以實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn),因此構(gòu)建高速光纖通信所必需的單片光電集成回路仍是一大挑戰(zhàn)。單壁碳納米管作為典型的一維納米材料,具有優(yōu)異的電學(xué)和光學(xué)性能,在納米電子學(xué)和納米光電子學(xué)等研究領(lǐng)域中備受矚目。經(jīng)過近二十年的發(fā)展,碳納米管集成電路已初具規(guī)模。而直接帶隙且隨直徑可調(diào)的特征,使其的光響應(yīng)范圍可覆蓋至中紅外波段;另外其優(yōu)

3、異的光吸收能力和光響應(yīng)速度(ps量級(jí))等,在紅外光電子學(xué)方面具有巨大潛力。
　　本文選擇碳納米管作為構(gòu)筑紅外光電器件的關(guān)鍵材料,在非對(duì)稱接觸碳納米管二極管的基礎(chǔ)上,圍繞著高性能碳納米管光電器件與光電集成的主題,考察了高性能碳納米管探測(cè)器的優(yōu)化與實(shí)現(xiàn),首次實(shí)現(xiàn)了碳管高效級(jí)聯(lián)光伏器件,通過引入碳管陣列薄膜材料,提升了碳管紅外探測(cè)器的性能,并探索了碳納米管的光電集成,取得了以下成果:
　　(1)碳納米管光伏器件性能優(yōu)化。到目前為止

4、報(bào)道的碳納米管光電器件大部分是基于化學(xué)摻雜,晶體管或分離柵的結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)存在穩(wěn)定性差、制備工藝復(fù)雜或者功耗高等缺點(diǎn)。基于非對(duì)稱接觸的二極管結(jié)構(gòu)可以有效克服以上問題,同時(shí)器件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,性能優(yōu)良。本文中,我們進(jìn)一步研究了溝道長(zhǎng)度對(duì)非對(duì)稱結(jié)構(gòu)二極管性能的影響。通過對(duì)無光照和有光照時(shí)的二極管的輸出特性進(jìn)行考察,發(fā)現(xiàn)對(duì)于特定直徑的碳納米管,存在一個(gè)特征的溝道長(zhǎng)度,能夠最大程度地抑制隧穿電流和串聯(lián)電阻的影響,從而實(shí)現(xiàn)高性能的光電二極管。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表

5、明,經(jīng)過優(yōu)化后的二極管光電轉(zhuǎn)化效率為0.11％,考慮碳納米管的有效吸收面積和碳原子的吸收截面后,內(nèi)量子轉(zhuǎn)化效率約為57%。
　　(2)首次實(shí)現(xiàn)了碳管高效級(jí)聯(lián)光伏器件。經(jīng)過優(yōu)化后的非對(duì)稱接觸二極管輸出的光電流和光電壓仍不能滿足實(shí)際的要求,需要進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì),以求實(shí)現(xiàn)大信號(hào)輸出。我們?cè)诮?jīng)過優(yōu)化的非對(duì)稱無勢(shì)壘二極管中創(chuàng)造性的引入了虛電極-Pd/Sc電極對(duì),在很小的尺度范圍內(nèi),無需任何摻雜,且不增加工藝步驟即可實(shí)現(xiàn)高效的光電壓倍增。實(shí)驗(yàn)中

6、,我們?cè)?0μm長(zhǎng)的碳管上,得到1.0 V的光電壓。其中引入的虛電極一方面為載流子的輸運(yùn)提供了一條通道,另一方面利用不同功函數(shù)金屬電極與碳管導(dǎo)帶和價(jià)帶的選擇性接觸,在無需摻雜的情況下實(shí)現(xiàn)電壓倍增。引入虛電極的級(jí)聯(lián)光電二極管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,性能穩(wěn)定且高效。
　　(3)引入碳管陣列薄膜材料,發(fā)展了高效碳納米管薄膜級(jí)聯(lián)紅外探測(cè)器。碳管陣列薄膜光電二極管,可以有效提高光電器件的輸出光電流;而級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)可以有效提高器件的信噪比。將級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)和碳管陣列

7、薄膜相結(jié)合,即可在室溫下得到大電流輸出和高信噪比的碳納米管紅外探測(cè)器。若半導(dǎo)體碳管陣列的密度為每微米100~200根,單級(jí)非對(duì)稱二極管的探測(cè)率高達(dá)109 cmHz1/2/W。進(jìn)一步引入五級(jí)級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)后,提高了器件的信噪比,在15μm長(zhǎng)的區(qū)域內(nèi)構(gòu)建了高敏的級(jí)聯(lián)碳管陣列薄膜紅外光探測(cè)器。
　　(4)初步探索了基于碳納米管的電子-光電子集成回路,為實(shí)現(xiàn)高速光通信奠定了基礎(chǔ)。我們發(fā)展的碳納米管非對(duì)稱級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)光電器件的制備工藝完全與我們實(shí)驗(yàn)室

8、先前發(fā)展的無摻雜制備碳納米管電子集成電路工藝兼容。通過采用對(duì)稱電極Pd或者Sc即可實(shí)現(xiàn)高性能碳納米管電子器件和電路,而采用非對(duì)稱電極則可實(shí)現(xiàn)高性能光電器件,電子和光電器件尺度相當(dāng),因此有望使用非常簡(jiǎn)單的工藝在同一根碳納米管中實(shí)現(xiàn)電子和光電子器件的完美集成。作為演示,本論文展示了級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)碳納米管紅外探測(cè)器輸出的倍增光電壓信號(hào)驅(qū)動(dòng)n-FET,p-FET和CMOS的實(shí)驗(yàn),實(shí)現(xiàn)了碳納米管紅外探測(cè)器與集成電路的集成,并進(jìn)一步的理論分析了碳納米管光