石墨烯與典型光導(dǎo)型光電探測(cè)器讀出電路的對(duì)比研究

韓 欽，高愷聰，任思偉，伍 俊，江 英，趙瑞光，申 鈞

石墨烯與典型光導(dǎo)型光電探測(cè)器讀出電路的對(duì)比研究

韓 欽1,2，高愷聰1，任思偉3，伍 俊1，江 英4，趙瑞光1，申 鈞1,2

（1. 中國(guó)科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院，重慶 400714；2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3．重慶光電技術(shù)研究所，重慶 400060；4．78092部隊(duì)，四川 成都 610000）

石墨烯光電探測(cè)器具有兼容性好和寬波段響應(yīng)等優(yōu)勢(shì)，其讀出電路可類似于微測(cè)輻射熱計(jì)等傳統(tǒng)探測(cè)器。然而，石墨烯光電探測(cè)器一般屬于光子型，其響應(yīng)度、功耗和積分時(shí)間等具有顯著差異。針對(duì)純石墨烯、石墨烯-硫化鉛異質(zhì)結(jié)、硫化鉛和典型微測(cè)輻射熱計(jì)4種探測(cè)器，結(jié)合實(shí)測(cè)器件參數(shù)，進(jìn)行讀出電路的對(duì)比研究。仿真結(jié)果表明：由于其較高的響應(yīng)度，實(shí)現(xiàn)相同的輸出電壓，石墨烯-硫化鉛異質(zhì)結(jié)探測(cè)器所需的積分時(shí)間最少，更利于高幀頻應(yīng)用。另一方面，與微測(cè)輻射熱計(jì)相比，石墨烯探測(cè)器具有較高的功耗，而分析表明合理的器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可有效減小功耗。本文的研究工作可為二維材料等新型光電探測(cè)器的讀出電路選擇和參數(shù)設(shè)計(jì)提供參考。

石墨烯；光電導(dǎo)效應(yīng)；讀出電路；光電探測(cè)器

0 引言

紅外探測(cè)技術(shù)因其“全天候”、“非接觸式”、“穿透性強(qiáng)”等優(yōu)點(diǎn)受到世界各國(guó)的重視，在各個(gè)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景。如軍事領(lǐng)域中利用紅外成像技術(shù)進(jìn)行制導(dǎo)、夜間作戰(zhàn)、辨別偽裝[1]；民用領(lǐng)域中的無(wú)人駕駛、無(wú)接觸測(cè)溫；工業(yè)領(lǐng)域中的故障診斷等[2]。

傳統(tǒng)材料的紅外探測(cè)器，以碲鎘汞、銦鎵砷[3]、銻化銦等為代表，主導(dǎo)了短波紅外、中波紅外和長(zhǎng)波紅外的探測(cè)，并且有著暗電流低、響應(yīng)速度快和量子效率高的優(yōu)勢(shì)，但是與互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（complementary metal-oxide-semiconductor, CMOS）工藝線不兼容，材料生長(zhǎng)以及器件制作工藝較復(fù)雜，且部分器件還需要低溫工作，使得其應(yīng)用領(lǐng)域受到一定的限制[4]?；诠璨牧系墓怆娞綔y(cè)器雖然已經(jīng)可以很好地與CMOS技術(shù)集成，并在0.4～1.1mm波段探測(cè)中占據(jù)主要地位[5]，但由于硅材料自身的帶隙限制，較難用于更廣泛的紅外波段。

基于石墨烯的光電探測(cè)器具有寬波段響應(yīng)、非制冷工作、成本較低、與CMOS兼容等前景，有希望彌補(bǔ)傳統(tǒng)材料的不足[6]。石墨烯光電探測(cè)器的研究最早基于光伏型，但是較低的光響應(yīng)度限制了其進(jìn)一步發(fā)展。通過(guò)將石墨烯與其他材料復(fù)合形成異質(zhì)結(jié)，光導(dǎo)型石墨烯光電探測(cè)器近年來(lái)取得了較大的進(jìn)展，光誘導(dǎo)局域場(chǎng)效應(yīng)是其重要發(fā)現(xiàn)之一。光誘導(dǎo)局域場(chǎng)效應(yīng)是指利用光生載流子在電荷勢(shì)阱處的累積產(chǎn)生電勢(shì)，并由此產(chǎn)生類柵壓效果，來(lái)調(diào)整溝道中載流子濃度的現(xiàn)象。因?yàn)槭┯兄蟊缺砻娣e以及低態(tài)密度的特點(diǎn)，使得其費(fèi)米能級(jí)易受外部電場(chǎng)調(diào)控[7-8]，光誘導(dǎo)局域場(chǎng)效應(yīng)可以在保證探測(cè)器響應(yīng)度較高的情況下，大幅度降低暗電流。

目前，石墨烯光電探測(cè)器大多為光電導(dǎo)型，相較于光伏型探測(cè)器可以自起電，無(wú)需外在偏置電壓，光電導(dǎo)型探測(cè)器必須依靠外在電源才能工作。就器件電學(xué)模型而言，石墨烯材料在光照條件下，電子與空穴分離，空穴進(jìn)入石墨烯，改變石墨烯的電阻值[9]，與工作于長(zhǎng)波紅外的微測(cè)輻射熱計(jì)類似，都可以等效成光敏電阻。然而石墨烯光電探測(cè)器是光子型探測(cè)器，其光致電阻變化率遠(yuǎn)大于微測(cè)輻射熱計(jì)等。因此對(duì)石墨烯光電探測(cè)器讀出電路的研究有助于其更大范圍的應(yīng)用。

本文在對(duì)純石墨烯、微測(cè)輻射熱計(jì)、硫化鉛、石墨烯-硫化鉛異質(zhì)結(jié)材料積分電路仿真對(duì)比的基礎(chǔ)上，也仿真了電路參數(shù)對(duì)石墨烯-硫化鉛異質(zhì)結(jié)光電探測(cè)器的影響，同時(shí)也對(duì)其陣列探測(cè)器進(jìn)行了設(shè)計(jì)與討論。

1 電學(xué)參數(shù)測(cè)量與輸入單元選擇

1.1 電學(xué)參數(shù)測(cè)量

石墨烯由單層碳原子組成，具有二維平面結(jié)構(gòu)，原子之間依靠共價(jià)鍵連接起來(lái)。由于單層石墨烯很薄，本征光生吸收只有2.3%，相比于其他光電材料其光吸收率較低[10]。但石墨烯具有獨(dú)特的零帶隙能帶結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部電子躍遷很容易被外部的光子所激發(fā)。因此，以石墨烯為材料的光電探測(cè)器具有非常寬的響應(yīng)范圍，包括紫外波段、可見(jiàn)光波段以及紅外波段[11]。純石墨烯材料的阻值根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值為1kW左右，在光照條件下，阻值變化率小于1‰。在5V偏置電壓下，暗電流為5 mA，凈光響應(yīng)電流最大為5mA。

微測(cè)輻射熱計(jì)具有非常小的熱容量和大電阻溫度系數(shù)，在光照條件下吸收輻射，其阻值會(huì)發(fā)生變化。微測(cè)輻射熱計(jì)是目前應(yīng)用范圍最廣的紅外探測(cè)器，阻值在120kW左右，在光照條件下，阻值變化率小于2‰[12]。在5V的偏置電壓下，暗電流為41.67mA，凈光響應(yīng)電流小于0.08mA。

硫化鉛是直接帶隙窄禁帶的半導(dǎo)體材料，室溫下，其能帶間隙約為0.4eV，對(duì)近紅外輻射比較敏感[13]，其工作波段為1～3mm，即使在室溫下硫化鉛材料也具有較好的靈敏度，無(wú)需在探測(cè)器上運(yùn)行制冷設(shè)備。硫化鉛光電探測(cè)器在軍事和民用方面都有著廣泛的運(yùn)用。

圖1(a)為在施加20V偏置電壓情況下，用波長(zhǎng)1550nm、最大功率為5 mW的激光照射在100mm×60mm硫化鉛薄膜材料上得到的電流與時(shí)間曲線。從圖1(a)可以看出，硫化鉛薄膜材料的暗電流為24.49mA，隨著光功率的變化，電流最高為28.18mA。易得最大凈光響應(yīng)電流為3.69mA，硫化鉛材料的阻值變化范圍為709.72～816.66kW，其光致電阻變化范圍為13.09%。

石墨烯材料低光吸收、零帶隙結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，對(duì)探測(cè)器的響應(yīng)度有較大影響。通過(guò)將石墨烯與硫化鉛復(fù)合，利用光誘導(dǎo)局域場(chǎng)效應(yīng)，既能保持石墨烯載流子傳輸能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，也能增強(qiáng)其對(duì)光的吸收能力[14]。圖1(b)是在5V偏置電壓下，用波長(zhǎng)1550nm，最大功率5 mW的激光照射在100mm×100mm的石墨烯-硫化鉛異質(zhì)結(jié)上得到的電流與時(shí)間曲線。從圖1(b)可以看出，石墨烯-硫化鉛異質(zhì)結(jié)的暗電流為3.65mA，隨著光功率的變化，電流最高為3.87mA。易得最大凈光電流為0.22mA，阻值變化范圍在1.29～1.37 kW，其光致電阻變化范圍為5.84%。

1.2 輸入單元選擇

讀出電路輸入單元需要將探測(cè)器產(chǎn)生的微弱電流信號(hào)轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)，不同結(jié)構(gòu)的輸入單元對(duì)探測(cè)器的成像效果具有很大影響。伴源級(jí)跟隨器結(jié)構(gòu)的輸入單元雖然具有噪聲極低的特點(diǎn)，但是電荷容量較低、響應(yīng)非線性以及在極低背景條件下才能工作良好的特性限制了其在石墨烯探測(cè)方面的應(yīng)用。與伴源極跟隨器結(jié)構(gòu)不同，直接注入結(jié)構(gòu)適合在中、高背景中應(yīng)用，但在低阻抗器件以及低背景應(yīng)用中的注入效率較低，而石墨烯探測(cè)器的阻抗較小，因此直接注入結(jié)構(gòu)同樣不適合用于石墨烯探測(cè)器。電容反饋跨阻放大的結(jié)構(gòu)在各個(gè)方面有著廣泛的應(yīng)用，輸入電流通過(guò)電容轉(zhuǎn)換為輸出電壓，其積分節(jié)點(diǎn)偏置穩(wěn)定，響應(yīng)信號(hào)與輸入電流及積分時(shí)間有非常好的線性關(guān)系，在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)暗電流加以控制，可以獲得很大的動(dòng)態(tài)范圍。又因?yàn)槭┕怆娞綔y(cè)器與微測(cè)輻射熱計(jì)都屬于光導(dǎo)型探測(cè)器，區(qū)別于銦鎵砷二極管等光伏型探測(cè)器。以石墨烯-硫化鉛異質(zhì)結(jié)探測(cè)器為例，其阻抗為1.37 kΩ，光致電阻變化率為5.84%。而典型的微測(cè)輻射熱計(jì)的阻抗為120 kΩ，其光照下的電阻變化率一般為2‰。所以，從阻抗和光致電阻變化的角度，石墨烯探測(cè)器可以采用類似微測(cè)輻射熱計(jì)的輸入級(jí)電路。同時(shí)，石墨烯探測(cè)器的凈光電流較大，輸出信號(hào)需要較好的線性度。因此，電容反饋跨阻放大的結(jié)構(gòu)最適合用來(lái)作為石墨烯探測(cè)器的輸入單元。至于石墨烯探測(cè)器較大的暗電流，可通過(guò)偏置電路設(shè)計(jì)，抵消其對(duì)輸入電流的影響，具體輸入電路如圖2所示。

圖1 兩種探測(cè)器在激光照射下的電流曲線

圖2 基于電容反饋跨導(dǎo)放大的積分電路

通過(guò)電路偏置電壓與匹配電阻的設(shè)置，產(chǎn)生與暗電流大小相等，方向相反的電流，即可確保在無(wú)光條件下輸入的積分電流為0，消除暗電流對(duì)積分電路的影響。一般情況下電路參數(shù)設(shè)置為sk－ref＝ref－det,dm＝d。

2 積分電路仿真研究

2.1 不同探測(cè)器材料的對(duì)比仿真研究

基于電學(xué)參數(shù)測(cè)量的數(shù)據(jù)，對(duì)電容反饋跨導(dǎo)放大電路使用multsim進(jìn)行仿真，記錄各材料輸出電壓與積分時(shí)間的關(guān)系。仿真模型所用的參數(shù)如下：

sk＝7V、ref＝4 V、det＝1V，積分電容值為500 fF，運(yùn)算放大器正向飽和電壓設(shè)置為5V，反相飽和電壓為3V，運(yùn)算放大器視為理想運(yùn)放。

圖3(a)～(d)為運(yùn)放輸出電壓與積分時(shí)間關(guān)系曲線。從仿真結(jié)果中可以看出，阻值大小及其光致電阻變化率對(duì)輸出電壓與積分時(shí)間有較大的影響。石墨烯-硫化鉛異質(zhì)結(jié)材料阻值小，且光致阻值變化率較大，因此其電壓上升速率最快，達(dá)到飽和電壓所需最短時(shí)間小于5 ns；純石墨烯材料阻值比石墨烯-硫化鉛異質(zhì)復(fù)合材料阻值小，但由于光致電阻變化率較小，其最快達(dá)到飽和電壓需要的積分時(shí)間在180 ns左右；微測(cè)輻射熱計(jì)的阻值很大，且光致電阻變化率小，因此達(dá)到飽和電壓所需積分時(shí)間最長(zhǎng)，往往超過(guò)10ms；硫化鉛薄膜的光致電阻變化范圍最大，但在相同的讀出電路參數(shù)下，無(wú)法彌補(bǔ)其阻值太大導(dǎo)致積分電流小的影響，因此相較于石墨烯-硫化鉛異質(zhì)結(jié)材料依然有較大差距。從仿真結(jié)果可以看出，石墨烯-硫化鉛異質(zhì)結(jié)材料在高速探測(cè)方面的巨大潛力。在達(dá)到相同探測(cè)效果的前提下，其探測(cè)速率是其他材料探測(cè)器的30～2000倍。同時(shí)驗(yàn)證了電容反饋跨導(dǎo)放大結(jié)構(gòu)的輸入級(jí)其積分電壓與積分時(shí)間在正常工作范圍內(nèi)具有良好的線性關(guān)系。

2.2 電路參數(shù)改變仿真情況

基于電容反饋跨導(dǎo)放大的電路測(cè)量光電響應(yīng)時(shí)，需要設(shè)置偏置電壓、積分時(shí)間以及匹配電阻的值，任意一個(gè)電路參數(shù)的改變都會(huì)影響光電探測(cè)的效果。故對(duì)石墨烯-硫化鉛異質(zhì)結(jié)探測(cè)器讀出電路各參數(shù)變化情況進(jìn)行仿真，記錄輸出電壓與積分時(shí)間的關(guān)系。

在保持參考電壓ref＝4V不變的情況下，改變sk與det的值，保持sk－ref＝ref－det。圖4為sk－ref值變化時(shí)的仿真結(jié)果，從仿真結(jié)果中可以看出探測(cè)器兩端壓差越大，其電壓上升率越快。因此，在器件允許的電壓范圍內(nèi)，適當(dāng)?shù)卣{(diào)整偏置電壓的值，可以改變探測(cè)速率。

圖4 偏置電壓變化情況下輸出電壓曲線

從前文電容反饋跨導(dǎo)放大電路的設(shè)計(jì)可知，匹配電阻值的選定等于探測(cè)器在無(wú)光條件下的阻值。若匹配電阻的阻值較大，其積分電壓輸出與像元在光照情況下阻值減小時(shí)電壓輸出情況相似。若匹配電阻值較小，則積分電壓就會(huì)不斷減小。圖5為匹配電阻較小時(shí)積分電壓輸出曲線。同時(shí)，若匹配電阻的值在探測(cè)器阻值變化范圍內(nèi)，則在光強(qiáng)較弱時(shí)，積分電壓減?。还鈴?qiáng)增強(qiáng)時(shí)，像元阻值減小至匹配電阻值以下，此時(shí)積分電壓會(huì)增加，整體積分電壓會(huì)呈現(xiàn)先下降再上升的趨勢(shì)。

圖5 匹配電阻小情況下輸出電壓曲線

探測(cè)器積分時(shí)間的設(shè)定，對(duì)探測(cè)速度和效果有直接的關(guān)系，圖6為不同積分時(shí)間設(shè)置時(shí)的積分電壓輸出曲線。積分時(shí)間短（1.5ns），輸出的電壓值較小，影響探測(cè)效果。積分時(shí)間較長(zhǎng)（5.5ns），則會(huì)影響探測(cè)速率。需要根據(jù)工作要求設(shè)定適合的積分時(shí)間。

圖6 積分時(shí)間不同時(shí)的輸出電壓曲線

3 石墨烯陣列探測(cè)器

3.1 陣列探測(cè)器信號(hào)輸出

在對(duì)石墨烯-硫化鉛異質(zhì)結(jié)探測(cè)器單個(gè)像素光電探測(cè)仿真的基礎(chǔ)上，對(duì)石墨烯光電探測(cè)器陣列的信號(hào)輸出進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)。陣列探測(cè)器如圖7所示，包括行控制電路，列并行處理電路以及像素陣列。行控制電路通過(guò)控制行選通管的通斷來(lái)選擇一行像素點(diǎn)的輸出。列并行處理電路包括相關(guān)雙采樣電路，列級(jí)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路以及多路選擇器。

其中相關(guān)雙采樣電路是將石墨烯光電探測(cè)器的光照積分信號(hào)與復(fù)位信號(hào)進(jìn)行比較，并將兩者信號(hào)輸入到差分放大器中。經(jīng)過(guò)相關(guān)雙采樣，可以消除電路中復(fù)位噪聲的干擾，也可以抑制低頻噪聲。

列級(jí)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路將經(jīng)過(guò)相關(guān)雙采樣的模擬電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字輸出。模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的選擇需要考慮轉(zhuǎn)換速度、精度以及電路結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度。并行比較型ADC電路轉(zhuǎn)換速度ns級(jí)，但其電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜。雙積分型ADC電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但其轉(zhuǎn)換速度為ms級(jí)。兩者都不適合石墨烯光電探測(cè)器的模數(shù)轉(zhuǎn)換。逐次逼近型的ADC電路轉(zhuǎn)換速度在ms量級(jí)，且其電路結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)換精度與時(shí)間呈線性關(guān)系，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)石墨烯光電探測(cè)器高速高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換。

圖7 石墨烯陣列探測(cè)器示意圖

采用列級(jí)ADC，對(duì)像素陣列進(jìn)行并行處理，對(duì)信號(hào)輸出的帶寬要求較高。利用多路選擇器，將多路并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行輸出，同時(shí)利用高速輸出IO可提高讀出電路的輸出帶寬。

3.2 陣列探測(cè)器功率損耗

陣列探測(cè)器的功率損耗主要與偏置電壓和阻值相關(guān)，如下式所示：

從上式可以看出，不僅探測(cè)器阻值，匹配電阻的大小對(duì)電路功耗也有很大的影響。以常見(jiàn)的光電探測(cè)器陣列規(guī)模384×288為例，讀出方式為行讀出，探測(cè)器兩端電壓為5V。純石墨烯探測(cè)器、硫化鉛薄膜探測(cè)器、典型微測(cè)輻射熱計(jì)以及石墨烯-硫化鉛異質(zhì)結(jié)探測(cè)器的功耗分別大概為19W、24mW、160mW以及15W?？砂l(fā)現(xiàn)純石墨烯與石墨烯-硫化鉛異質(zhì)結(jié)探測(cè)器的功耗遠(yuǎn)大于其他兩種材料探測(cè)器，這主要與石墨烯的半金屬物理特性有關(guān)。在實(shí)際應(yīng)用中，石墨烯探測(cè)器的電壓一般為2.5V，并且可通過(guò)石墨烯圖案化方法縮短其橫截面長(zhǎng)度來(lái)降低功耗。本文所測(cè)石墨烯-硫化鉛異質(zhì)結(jié)材料探測(cè)器的器件尺寸為100mm×100mm，在方阻一致的情況下，若器件尺寸改為100mm×2mm，則器件電阻增加為50倍，兩端電壓2.5V時(shí)，石墨烯-硫化鉛異質(zhì)結(jié)探測(cè)器的功耗則大概為74 mW，與硫化鉛薄膜、微測(cè)輻射熱計(jì)探測(cè)器的功耗相差無(wú)幾。通過(guò)此類器件設(shè)計(jì)方法，在對(duì)探測(cè)效果影響不大的基礎(chǔ)上很好地解決石墨烯探測(cè)器功耗過(guò)大的問(wèn)題。

4 結(jié)論

石墨烯光電探測(cè)器在彌補(bǔ)傳統(tǒng)光電探測(cè)器低溫工作、工藝復(fù)雜等缺點(diǎn)的同時(shí)，也擁有光電流高，響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)。結(jié)果表明：石墨烯光電探測(cè)器的凈光響應(yīng)電流可達(dá)0.22mA；在不影響探測(cè)效果的前提下，積分時(shí)間可縮短至4.24 ns，適用于高幀頻探測(cè)的場(chǎng)合；同時(shí)對(duì)石墨烯陣列探測(cè)器進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)，并通過(guò)調(diào)整偏置電壓，石墨烯圖案化等方法可以解決其功耗過(guò)高的問(wèn)題。本次研究可對(duì)石墨烯光電探測(cè)器的陣列化應(yīng)用提供參考。

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Comparative Study on Readout Circuit for Graphene and Typical Photoconductors Photodetectors

HAN Qin1,2，GAO Kaicong1，REN Siwei3，WU Jun1，JIANG Ying4，ZHAO Ruiguang1，SHEN Jun1,2

(1.,400714,;2.,100049,;3.,400060,; 4. 78092,610000,)

Graphene-based photodetectors have the advantages of good compatibility and wide-band response, and their readout circuits are similar to traditional detectors such as bolometers. However, graphene photodetectors are generally photon types whose responsivity, power consumption, and integration time are significantly different. Here, the readout circuits of pure graphene, graphene-lead sulfide heterostructure, lead sulfide, and typical bolometer combined with the measured device parameters are studied. Simulation results show that because of its high responsivity, when the same output voltage is achieved, the integration time of the graphene-lead sulfide heterostructure detector is the lowest, which is more conducive to high-frame-rate applications. However, compared with the bolometer, the graphene detector has a higher power consumption, and the analysis shows that a reasonable device structure design can effectively reduce the power consumption. This study can provide a reference in the selection of the readout circuit and parameter design of a new type of two-dimensional material photodetector.

graphene, photoconductive effect, readout circuit, photodetector

TN15

A

1001-8891(2022)02-0123-06

2021-03-16；

2021-04-27.

韓欽（1996-），男，江蘇人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)楣怆娞綔y(cè)器系統(tǒng)集成。E-mail：hanqin19@mails.ucas.ac.cn。

申鈞（1984-），男，重慶人，研究員，博士，主要研究方向?yàn)槭┕怆娞綔y(cè)器、射頻電子器件及憶阻器件。E-mail：shenjun@cigit.ac.cn。

國(guó)家自然科學(xué)基金（61705229），中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)（2018416）。