多层石墨烯纳米带光电探测器理论与性能分析

刘海月、牛燕雄*、尹贻恒、丁 铭、杨碧瑶、刘 帅

1. 北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院,北京 100191 2. 微纳测控与低维物理教育部重点实验室,北京 100191 3. 精密光机电一体化教育部重点实验室,北京 100191

多层石墨烯纳米带光电探测器理论与性能分析

刘海月1,2,3、牛燕雄1,2,3*、尹贻恒1,2,3、丁 铭1、杨碧瑶1,2,3、刘 帅1,2,3

1. 北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院,北京 100191 2. 微纳测控与低维物理教育部重点实验室,北京 100191 3. 精密光机电一体化教育部重点实验室,北京 100191

多层石墨烯具有超宽的光谱吸收范围及独特的光电性能,是制作下一代光电探测器件的理想材料。以石墨烯的带间隧穿理论为基础,提出了一个多层石墨烯纳米带结构的光电探测器模型,纳米带的两端与源极和漏极相连,夹在半导体基质和上下栅极之间。利用这个模型,建立了多层石墨烯纳米带探测器的光电转换机制,讨论了上栅极电压不同时探测器的工作原理,研究了源-漏极间光电流及暗电流与入射光能量的关系,探讨了探测器的偏置电压,耗尽层长度以及带隙取值对暗电流的影响,并分析了不同参数下探测器响应率以及探测率随入射光能量的变化关系。结果表明,探测器的响应率随纳米带层数的增加而增加,受带隙,耗尽层长度和偏置电压的影响,最大的响应率约为103A·W-1; 通过限制上栅压,带隙等变量可以控制系统暗电流,增大探测器的探测率,最高探测率约为109cm·Hz1/2·W-1。多层石墨烯纳米带结构可以增强探测器对入射光的吸收,提高探测器的灵敏度以及对弱光的探测能力,实现对太赫兹到远红外波段入射光的有效探测,探测性能远高于许多量子结构和窄带半导体结构的光电探测器。

石墨烯; 纳米带; 光电设备; 探测

引 言

光电探测器是光电系统的重要组成部分,它直接影响或决定着光电系统的性能。石墨烯优异的导电性、极高的电子迁移率以及良好的化学稳定性,使其在光电探测领域有着广阔的应用前景。然而,单层石墨烯对可见光吸收率仅为2.3%,制约了其在光电探测领域中的应用,为了提高石墨烯对入射光的吸收能力,研究人员采用了将石墨烯分别与光学微腔、硅波导等结构相耦合的方案[1-3]。此外,很多科研团队通过限制石墨烯的几何形状,将石墨烯制作成纳米带结构[4-7],实现了电路调控。Rozan等[8]用两步化学气沉积的方法制造了MoS2和石墨烯异质结构的高增益光电探测器。Ahmadi等[9]设计了工作于远红外波段的扶手椅型石墨烯纳米带光电探测器,并计算了暗电流对光电探测率的限制效应; Xia等[10]研究了复杂带间结构的石墨烯纳米带光电探测器,计算了该结构的弹道量子传输特性,得出了较高的探测电流; Basant等[11]研究了基于还原氧化石墨烯和石墨烯纳米带结构的远红外探测器,在1 550 nm入射光下,得到了80%的外部量子率,是量子点光电探测器的1 000倍。此外,还有很多科研团队[12-15]做了石墨烯纳米带的相关研究。由此可见,基于石墨烯纳米带的光电探测器具有响应速度快,量子效率高等优异性能,在光电探测领域有着广泛且重要的作用。

光电探测器的响应表征了入射光转换成光电流本领的大小,响应范围越宽,响应越高,器件的性能越好,较低的响应或较窄的光谱响应范围将严重制约光电探测器在光学器件集成电路中的应用。本文以紧密排列的多层石墨烯纳米带为基础,提出了一种隧穿机制下的多层石墨烯纳米带光电探测器,计算了与入射光能量相关的响应,得出了暗电流的表达式及其限制下的探测率,讨论了带隙、耗尽层长度以及源-漏极偏置电压对响应率的影响,绘制了暗电流随上栅压和纳米带宽度的变化曲线以及在带隙、偏压、上栅压、纳米带宽度不同情况下的探测率随入射光强变化的关系曲线,对于石墨烯纳米带光电探测器的理论和应用研究具有重要意义。

1 模型建立及理论分析

多层石墨烯纳米带光电探测器包含多层紧密排列的n掺杂型石墨烯纳米带,纳米带宽度为d,如图1所示(以四层为例),每一层石墨烯纳米带的两端均与源极和漏极相连,纳米带之间为传导率很高的介质,它们夹在半导体基底和上下栅极之间,其中,栅-源之间加负向电压,即Vg<0,保证耗尽层承受反向电压,且使栅-源之间内阻较高,实现对沟道电流的控制。其中下栅极的电压Vb>0,漏-源两极加正向偏置电压,即Vd>0,以形成漏极电流。假设基底和介质不吸收入射辐射,当能量为ћω的入射光从底部入射,光生电子由于电场的作用从漏极向源极移动,产生单向循环电流,完成光信号到电流信号转换。

由于探测器采用石墨烯纳米带结构,纳米带中电子和空穴在一个方向上的运动受到了限制,导致价带和导带之间带隙(能量间隔)Δ=2πћ/d的出现,可见带隙由纳米带的宽度d决定。光照条件下第k层纳米带的能带图如图2所示。

图1 多层石墨烯纳米带光电探测器结构图

图2 第k层石墨烯纳米带能带图

图2(a)表示当上栅极电压较低时,源极发射出的电子克服势垒ΔB向漏极运动,当入射光能量高于石墨烯的吸收层带隙并照射在耗尽层时,光被吸收并产生电子-空穴对。价带中的电子吸收入射辐射跃迁到导带中,形成源极-漏极电流,而空穴被束缚在上栅极下方； 图2(b)表示当上栅极电压很高时,从源极发出的电子几乎无法越过耗尽区势垒,此时带间隧穿起主要作用,导带中的电子隧穿进入价带,价带中的电子进入导带,同时,与图2(a)情况相同,价带中的电子跃迁进入导带,共同形成隧穿电流。由于p型载流子被束缚在上栅极下方,产生了大于源-漏极的电导,源-漏极间电流和光生电子跃迁产生的电流由n-p和p-n结的隧穿电导决定。

(1)

(2)

(3)

由以上公式得到第k层石墨烯探测器的光电流的表达式如下

(4)

光生电子向导带跃迁,而光生空穴被束缚在耗尽区,耗尽区的光生空穴与逃离耗尽区进入源极、漏极区域的空穴之间的平衡关系表示为

(5)

由式(4)和式(5)得到多层石墨烯纳米带总的光电流为

(6)

(7)

对于光电探测器而言,响应率是一个非常重要的特性参数,能够很好的描述探测器的性能。石墨烯纳米带光电探测器的探测率D*可以表示为响应率和暗电流Jdark的函数

(8)

其中,R为响应率,e是元电荷数,A=L×H是探测面积,H是垂直电流方向的探测宽度,L是探测长度。把式(2)、式(7)和式(8)代入得到探测率的表达式为

(9)

2 性能分析与研究

探测器的响应受带隙取值的大小所影响,图4给出了不同带隙下,响应随入射光能量的变化关系。其中,N=10,Vd=0.1 V,Vg=0.2 V,Wb=10 nm,Wg=5 nm。从图中可以看出,在入射光能量ћω<Δ时,探测器的响应为零,这是因为当入射光子的能量低于带隙Δ时,价带中的电子吸收光子能量后无法跃迁进入导带,此时电流没有变化。此外,探测响应随Δ的增加而增加,由带隙Δ=2πћ/d可以得出,在其余参数相同的情况下,可通过减少纳米带的宽度d得到更大的探测器响应。

图3 (a)第k层石墨烯纳米带的响应随入射光能量的变化关系; (b)不同石墨烯层数下探测器总响应随入射光能量的变化关系

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

图4 不同带隙下探测器响应随入射光能量的变化关系

多层石墨烯纳米带光电探测趋的响应是耗尽层长度和偏置电压的函数。图5给出了不同耗尽层长度下响应随入射光能量的变化关系。其中,N=10,Vd=0.1 V,Vg=0.2 V,Wb=10 nm,Wg=5 nm,Δ=20 meV。从图中可以看出,当lB增大时,响应曲线整体上移,由于lB近似等于上端栅极的长度Lg,可以通过改变探测器的结构尺寸,即通过增大上栅极的长度Lg来提高探测响应率。图6给出了不同偏置电压Vd下响应率随入射光能量的变化关系,其中N=10,lB=100 nm,Vg=0.2 V,Wb=10 nm,Wg=5 nm,Δ=20 meV。从图中可以看出,响应随偏压的增大而增加,从式(7)以及图6可以清晰的看出当偏置电压增加一倍时,响应也增加了一倍,成正比例关系。

图5 不同耗尽层长度下响应率随入射光能量的变化关系

除了研究各个变量变化对响应率R的影响,通过式(2),可以得到变量变化对暗电流Jdark的影响。图7中的(a)、(b)和(c)分别给出了在带隙、纳米带宽度、耗尽层长度不同取值下,暗电流随上栅极电压Vg的变化关系。从图中可以看出,随着栅压Vg的增加,暗电流有上升的趋势,且上升速度很快,因此,控制上栅压的大小可以很好的降低暗电流,得到更高的徒测响应率。从图7(a)中可以看出暗电流随着带隙的增大而减小,当带隙取值为30 meV时,可以显著减弱探测器的暗电流。图7(b)说明当纳米带的宽度d降低时,暗电流曲线整体下移。即增大纳米带的宽度d可减少暗电流。图7(c)反映出暗电流随耗尽区长度的增加而减少,可以通过调节上栅极尺寸来调节暗电流的大小。图7(d)展示了暗电流随石墨烯纳米带宽度d的变化曲线,暗电流随着纳米带宽度d的增加而下降,当上栅压增大时,暗电流最大值最小值同时增大,曲线整体上移。

图6 不同源-漏极间偏压Vd下响应率随入射光能量的变化关系

图7 各变量变化对暗电流的影响

探测器性能的好坏除了用响应来描述外,探测率也是非常重要的影响因素。图8给出了探测率D*随入射光能量的变化关系。从图中可以看出随着入射光能量的增大,探测率降低,在入射光能量为50～100 meV时探测率下降速度较快,之后开始放缓,在100～200 meV之间下降缓慢,当入射能量继续增大时几乎没有变化,说明入射光能量越大,探测率越低,从图中可以看出,当入射光在50～100 meV时探测率很高,对应着太赫兹与远红外波段,所以探测器更适合太赫兹与远红外波段。从图8(a)可以看出D*随带隙Δ的增大而增加,综合图4结果,增大带隙能够同时提高响应率和探测率。从图8(b)和(d)中可以看出,随着偏置电压或者纳米带宽度的增大,探测率也随之增大。图8(c)说明探测率随着栅压Vg的增大而减小,所以减小栅压会提高探测率。多层石墨烯纳米带光电探测器优于像HgCdTe这样的窄带隙半导体探测器,除了制造工艺更加简单外,最主要的就是它具有极高的探测率,从图8(a)可以看出,当Δ=50 meV时,探测率的最大值在4.8×108cm Hz1/2·W-1,这是因为室温下纳米带的热生速率主要取决于光子的带间吸收,俄歇效应被禁止,而HgCdTe具有很强的俄歇效应。所以纳米带的热生速率远低于HgCdTe,使得石墨烯纳米带探测器具有很高的探测率。

图8 探测率随入射光能量的变化关系

3 结 论

研究了多层石墨烯纳米带光电探测器的结构特性、工作原理、适用范围,分析了石墨烯中的暗电流及光电流特性并计算了探测器响应,讨论了偏置电压、耗尽层长度以及带隙取值对探测器响应的影响。探究了带隙、上栅压及纳米带宽度等各参量变化时暗电流限制下的探测率随入射光能量的变化关系。结果表明,石墨烯纳米带探测器在太赫兹和远红外波段具有非常优异的探测性能,优于许多基于量子结构和窄带半导体的探测器。此外,相较于单层石墨烯纳米带,多层纳米带结构可以极大地提高探测器的响应,增强对弱光的探测能力,使探测器具有更高的灵敏度。

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[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

刘海月、1991年生、北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院硕士研究生 e-mail: liuhaiyueliushuai@163.com *通讯联系人 e-mail: niuyx@buaa.edu.cn

O439

A

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