多層石墨烯納米帶光電探測器理論與性能分析

劉海月、牛燕雄*、尹貽恒、丁 銘、楊碧瑤、劉 帥

1. 北京航空航天大學儀器科學與光電工程學院,北京 100191 2. 微納測控與低維物理教育部重點實驗室,北京 100191 3. 精密光機電一體化教育部重點實驗室,北京 100191

多層石墨烯納米帶光電探測器理論與性能分析

劉海月1,2,3、牛燕雄1,2,3*、尹貽恒1,2,3、丁 銘1、楊碧瑤1,2,3、劉 帥1,2,3

1. 北京航空航天大學儀器科學與光電工程學院,北京 100191 2. 微納測控與低維物理教育部重點實驗室,北京 100191 3. 精密光機電一體化教育部重點實驗室,北京 100191

多層石墨烯具有超寬的光譜吸收范圍及獨特的光電性能,是制作下一代光電探測器件的理想材料。以石墨烯的帶間隧穿理論為基礎,提出了一個多層石墨烯納米帶結構的光電探測器模型,納米帶的兩端與源極和漏極相連,夾在半導體基質和上下柵極之間。利用這個模型,建立了多層石墨烯納米帶探測器的光電轉換機制,討論了上柵極電壓不同時探測器的工作原理,研究了源-漏極間光電流及暗電流與入射光能量的關系,探討了探測器的偏置電壓,耗盡層長度以及帶隙取值對暗電流的影響,并分析了不同參數(shù)下探測器響應率以及探測率隨入射光能量的變化關系。結果表明,探測器的響應率隨納米帶層數(shù)的增加而增加,受帶隙,耗盡層長度和偏置電壓的影響,最大的響應率約為103A·W-1; 通過限制上柵壓,帶隙等變量可以控制系統(tǒng)暗電流,增大探測器的探測率,最高探測率約為109cm·Hz1/2·W-1。多層石墨烯納米帶結構可以增強探測器對入射光的吸收,提高探測器的靈敏度以及對弱光的探測能力,實現(xiàn)對太赫茲到遠紅外波段入射光的有效探測,探測性能遠高于許多量子結構和窄帶半導體結構的光電探測器。

石墨烯; 納米帶; 光電設備; 探測

引 言

光電探測器是光電系統(tǒng)的重要組成部分,它直接影響或決定著光電系統(tǒng)的性能。石墨烯優(yōu)異的導電性、極高的電子遷移率以及良好的化學穩(wěn)定性,使其在光電探測領域有著廣闊的應用前景。然而,單層石墨烯對可見光吸收率僅為2.3%,制約了其在光電探測領域中的應用,為了提高石墨烯對入射光的吸收能力,研究人員采用了將石墨烯分別與光學微腔、硅波導等結構相耦合的方案[1-3]。此外,很多科研團隊通過限制石墨烯的幾何形狀,將石墨烯制作成納米帶結構[4-7],實現(xiàn)了電路調控。Rozan等[8]用兩步化學氣沉積的方法制造了MoS2和石墨烯異質結構的高增益光電探測器。Ahmadi等[9]設計了工作于遠紅外波段的扶手椅型石墨烯納米帶光電探測器,并計算了暗電流對光電探測率的限制效應; Xia等[10]研究了復雜帶間結構的石墨烯納米帶光電探測器,計算了該結構的彈道量子傳輸特性,得出了較高的探測電流; Basant等[11]研究了基于還原氧化石墨烯和石墨烯納米帶結構的遠紅外探測器,在1 550 nm入射光下,得到了80%的外部量子率,是量子點光電探測器的1 000倍。此外,還有很多科研團隊[12-15]做了石墨烯納米帶的相關研究。由此可見,基于石墨烯納米帶的光電探測器具有響應速度快,量子效率高等優(yōu)異性能,在光電探測領域有著廣泛且重要的作用。

光電探測器的響應表征了入射光轉換成光電流本領的大小,響應范圍越寬,響應越高,器件的性能越好,較低的響應或較窄的光譜響應范圍將嚴重制約光電探測器在光學器件集成電路中的應用。本文以緊密排列的多層石墨烯納米帶為基礎,提出了一種隧穿機制下的多層石墨烯納米帶光電探測器,計算了與入射光能量相關的響應,得出了暗電流的表達式及其限制下的探測率,討論了帶隙、耗盡層長度以及源-漏極偏置電壓對響應率的影響,繪制了暗電流隨上柵壓和納米帶寬度的變化曲線以及在帶隙、偏壓、上柵壓、納米帶寬度不同情況下的探測率隨入射光強變化的關系曲線,對于石墨烯納米帶光電探測器的理論和應用研究具有重要意義。

1 模型建立及理論分析

多層石墨烯納米帶光電探測器包含多層緊密排列的n摻雜型石墨烯納米帶,納米帶寬度為d,如圖1所示(以四層為例),每一層石墨烯納米帶的兩端均與源極和漏極相連,納米帶之間為傳導率很高的介質,它們夾在半導體基底和上下柵極之間,其中,柵-源之間加負向電壓,即Vg<0,保證耗盡層承受反向電壓,且使柵-源之間內阻較高,實現(xiàn)對溝道電流的控制。其中下柵極的電壓Vb>0,漏-源兩極加正向偏置電壓,即Vd>0,以形成漏極電流。假設基底和介質不吸收入射輻射,當能量為?ω的入射光從底部入射,光生電子由于電場的作用從漏極向源極移動,產(chǎn)生單向循環(huán)電流,完成光信號到電流信號轉換。

由于探測器采用石墨烯納米帶結構,納米帶中電子和空穴在一個方向上的運動受到了限制,導致價帶和導帶之間帶隙(能量間隔)Δ=2π?/d的出現(xiàn),可見帶隙由納米帶的寬度d決定。光照條件下第k層納米帶的能帶圖如圖2所示。

圖1 多層石墨烯納米帶光電探測器結構圖

圖2 第k層石墨烯納米帶能帶圖

圖2(a)表示當上柵極電壓較低時,源極發(fā)射出的電子克服勢壘ΔB向漏極運動,當入射光能量高于石墨烯的吸收層帶隙并照射在耗盡層時,光被吸收并產(chǎn)生電子-空穴對。價帶中的電子吸收入射輻射躍遷到導帶中,形成源極-漏極電流,而空穴被束縛在上柵極下方； 圖2(b)表示當上柵極電壓很高時,從源極發(fā)出的電子幾乎無法越過耗盡區(qū)勢壘,此時帶間隧穿起主要作用,導帶中的電子隧穿進入價帶,價帶中的電子進入導帶,同時,與圖2(a)情況相同,價帶中的電子躍遷進入導帶,共同形成隧穿電流。由于p型載流子被束縛在上柵極下方,產(chǎn)生了大于源-漏極的電導,源-漏極間電流和光生電子躍遷產(chǎn)生的電流由n-p和p-n結的隧穿電導決定。

(1)

(2)

(3)

由以上公式得到第k層石墨烯探測器的光電流的表達式如下

(4)

光生電子向導帶躍遷,而光生空穴被束縛在耗盡區(qū),耗盡區(qū)的光生空穴與逃離耗盡區(qū)進入源極、漏極區(qū)域的空穴之間的平衡關系表示為

(5)

由式(4)和式(5)得到多層石墨烯納米帶總的光電流為

(6)

(7)

對于光電探測器而言,響應率是一個非常重要的特性參數(shù),能夠很好的描述探測器的性能。石墨烯納米帶光電探測器的探測率D*可以表示為響應率和暗電流Jdark的函數(shù)

(8)

其中,R為響應率,e是元電荷數(shù),A=L×H是探測面積,H是垂直電流方向的探測寬度,L是探測長度。把式(2)、式(7)和式(8)代入得到探測率的表達式為

(9)

2 性能分析與研究

探測器的響應受帶隙取值的大小所影響,圖4給出了不同帶隙下,響應隨入射光能量的變化關系。其中,N=10,Vd=0.1 V,Vg=0.2 V,Wb=10 nm,Wg=5 nm。從圖中可以看出,在入射光能量?ω<Δ時,探測器的響應為零,這是因為當入射光子的能量低于帶隙Δ時,價帶中的電子吸收光子能量后無法躍遷進入導帶,此時電流沒有變化。此外,探測響應隨Δ的增加而增加,由帶隙Δ=2π?/d可以得出,在其余參數(shù)相同的情況下,可通過減少納米帶的寬度d得到更大的探測器響應。

圖3 (a)第k層石墨烯納米帶的響應隨入射光能量的變化關系; (b)不同石墨烯層數(shù)下探測器總響應隨入射光能量的變化關系

Fig.3 (a) Responsivity as a function of photon energy of the kth layer graphene nanoribbons; (b) Total responsivity as a function of photon energy for the different layers

圖4 不同帶隙下探測器響應隨入射光能量的變化關系

多層石墨烯納米帶光電探測趨的響應是耗盡層長度和偏置電壓的函數(shù)。圖5給出了不同耗盡層長度下響應隨入射光能量的變化關系。其中,N=10,Vd=0.1 V,Vg=0.2 V,Wb=10 nm,Wg=5 nm,Δ=20 meV。從圖中可以看出,當lB增大時,響應曲線整體上移,由于lB近似等于上端柵極的長度Lg,可以通過改變探測器的結構尺寸,即通過增大上柵極的長度Lg來提高探測響應率。圖6給出了不同偏置電壓Vd下響應率隨入射光能量的變化關系,其中N=10,lB=100 nm,Vg=0.2 V,Wb=10 nm,Wg=5 nm,Δ=20 meV。從圖中可以看出,響應隨偏壓的增大而增加,從式(7)以及圖6可以清晰的看出當偏置電壓增加一倍時,響應也增加了一倍,成正比例關系。

圖5 不同耗盡層長度下響應率隨入射光能量的變化關系

除了研究各個變量變化對響應率R的影響,通過式(2),可以得到變量變化對暗電流Jdark的影響。圖7中的(a)、(b)和(c)分別給出了在帶隙、納米帶寬度、耗盡層長度不同取值下,暗電流隨上柵極電壓Vg的變化關系。從圖中可以看出,隨著柵壓Vg的增加,暗電流有上升的趨勢,且上升速度很快,因此,控制上柵壓的大小可以很好的降低暗電流,得到更高的徒測響應率。從圖7(a)中可以看出暗電流隨著帶隙的增大而減小,當帶隙取值為30 meV時,可以顯著減弱探測器的暗電流。圖7(b)說明當納米帶的寬度d降低時,暗電流曲線整體下移。即增大納米帶的寬度d可減少暗電流。圖7(c)反映出暗電流隨耗盡區(qū)長度的增加而減少,可以通過調節(jié)上柵極尺寸來調節(jié)暗電流的大小。圖7(d)展示了暗電流隨石墨烯納米帶寬度d的變化曲線,暗電流隨著納米帶寬度d的增加而下降,當上柵壓增大時,暗電流最大值最小值同時增大,曲線整體上移。

圖6 不同源-漏極間偏壓Vd下響應率隨入射光能量的變化關系

圖7 各變量變化對暗電流的影響

探測器性能的好壞除了用響應來描述外,探測率也是非常重要的影響因素。圖8給出了探測率D*隨入射光能量的變化關系。從圖中可以看出隨著入射光能量的增大,探測率降低,在入射光能量為50～100 meV時探測率下降速度較快,之后開始放緩,在100～200 meV之間下降緩慢,當入射能量繼續(xù)增大時幾乎沒有變化,說明入射光能量越大,探測率越低,從圖中可以看出,當入射光在50～100 meV時探測率很高,對應著太赫茲與遠紅外波段,所以探測器更適合太赫茲與遠紅外波段。從圖8(a)可以看出D*隨帶隙Δ的增大而增加,綜合圖4結果,增大帶隙能夠同時提高響應率和探測率。從圖8(b)和(d)中可以看出,隨著偏置電壓或者納米帶寬度的增大,探測率也隨之增大。圖8(c)說明探測率隨著柵壓Vg的增大而減小,所以減小柵壓會提高探測率。多層石墨烯納米帶光電探測器優(yōu)于像HgCdTe這樣的窄帶隙半導體探測器,除了制造工藝更加簡單外,最主要的就是它具有極高的探測率,從圖8(a)可以看出,當Δ=50 meV時,探測率的最大值在4.8×108cm Hz1/2·W-1,這是因為室溫下納米帶的熱生速率主要取決于光子的帶間吸收,俄歇效應被禁止,而HgCdTe具有很強的俄歇效應。所以納米帶的熱生速率遠低于HgCdTe,使得石墨烯納米帶探測器具有很高的探測率。

圖8 探測率隨入射光能量的變化關系

3 結 論

研究了多層石墨烯納米帶光電探測器的結構特性、工作原理、適用范圍,分析了石墨烯中的暗電流及光電流特性并計算了探測器響應,討論了偏置電壓、耗盡層長度以及帶隙取值對探測器響應的影響。探究了帶隙、上柵壓及納米帶寬度等各參量變化時暗電流限制下的探測率隨入射光能量的變化關系。結果表明,石墨烯納米帶探測器在太赫茲和遠紅外波段具有非常優(yōu)異的探測性能,優(yōu)于許多基于量子結構和窄帶半導體的探測器。此外,相較于單層石墨烯納米帶,多層納米帶結構可以極大地提高探測器的響應,增強對弱光的探測能力,使探測器具有更高的靈敏度。

[1] Sun Zhenhua,Chang Haixin. ACS Nano,2014,8(5): 4133.

[2] Konstantatos G,Badioli M,Gaudreau L,et al. Nature Nanotechnology,2012,7(6): 363.

[3] Otsuji T,Watanabe T,Tombet B,et al. Optical Engineering,2014,53(3): 031206.

[4] Ribeiro Jr L A,da Cunha W F,Fonseca A L A,et al. The Journal of Physical Chemistry Letters,2015,6(3): 510.

[5] Liu W,Cheng J,Zhao J,et al. Journal of Modern Physics,2015,6(2): 95.

[6] Lee C H,Chen S C,Su W S,et al. Synthetic Metals、2011,161(5-6): 489.

[7] Lee C H,Yang C K,Lin M F,et al. Physical Chemistry Chemical Physics、2011,13(9): 3925.

[8] Yunus R M,Endo H,Tsuji M,et al. Physical Chemistry Chemical Physics,2015,17(38): 25210.

[9] Ahmadi E,Asgari A. Journal of Applied Physics,2013,113(9): 093106.

[10] Xia T,Yang P,Zhang L,et al. Solid-State and Integrated Circuit Technology,Xi’an: IEEE,2012. 10.

[11] Chitara B,Panchakarla L S,Krupanidhi S B,et al. Adv. Mater.、2011,23(45): 5419.

[12] Ahmadi E,Asgari A,Ahmadiniar K. Superlattices and Microstructures,2012,52(4): 605.

[13] Ostovari F,Moravvej-Farshi M K. Applied Physics Letters,2014,105(7): 072407.

[14] Ostovari F,Moravvej-Farshi M K. Applied Surface Science,2014,318: 108.

[15] Freitag M,Low T,Martin-Moreno L,et al. ACS Nano,2014,8(8): 8350.

*Corresponding author

Analysis of Theory and Performance of Multi Layer Graphene Nanoribbons Photodetector

LIU Hai-yue1,2,3,NIU Yan-xiong1,2,3*,YIN Yi-heng1,2,3,DING Ming1,YANG Bi-yao1,2,3,LIU Shuai1,2,3

1. School of Instrumentation Science and Opto-electroncis Engineering,Beijing University of Aeronautics and Astronautics,Beijing 100191,China 2. Key Laboratory of Micro-nano Measurement-Manipulation and Physics Ministry of Education,Beijing University of Aeronautics and Astronautics,Beijing 100191,China 3. Precision Opto-Mechatronics Technology Key Laboratory of Ministry of Education,Beijing University of Aeronautics and Astronautics,Beijing 100191,China

Multilayer graphene,with wide absorption spectrum and unique photoelectric properties,is an ideal material to make the next generation of photoelectric detector. Taking graphene interband tunneling theory as the foundation,a photoelectric detector model with the structure of multilayer graphene nanoribbons was proposed. Nanoribbons which contacted with source and drain electrode at the end were sandwiched between the semiconductor substrate and the top and back gate. Using this model,a photoelectric conversion mechanism of multilayer graphene nanoribbon detector was established. It discussed the working principle of the detector at different top gate voltage,studied the relationship between the source-drain current and the incident light energy,researched the influence of the bias voltage,the length of depletion and the values of band gap on the dark current,and analyzed the change of detector responsibility and detectivity with the incident light energy under the different parameters. The results show that,the responsibility of detector increases with the layers of nanoribbons,and are affected by the band gap,the length of depletion and the bias voltage. The maximum responsibility up to 103A·W-1; By limiting on the top gate voltage,the band gap and other variables can control the dark current of system and increase the detectivity,the detectivity up to a maximum value of 109cm Hz1/2·W-1. The structure of multilayer graphene nanoribbons can enhance the absorption of the incident light,improve the sensitivity of the detector and the detection capability of weak light,and realize the detection from THz to far infrared wavelength of incident light. The detection performance is far better than that of many quantum structures and narrow-band semiconductor structure of photoelectric detector.

Graphene; Nanorrbbons; Photoelectric devices; Detection

Nov. 25,2015; accepted Mar. 20,2016)

2015-11-25、

2016-03-20

劉海月、1991年生、北京航空航天大學儀器科學與光電工程學院碩士研究生 e-mail: liuhaiyueliushuai@163.com *通訊聯(lián)系人 e-mail: niuyx@buaa.edu.cn

O439

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)12-3811-06