石墨烯光电探测器

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。

（a）（b）

（c）（d）

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

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=（-），其中（在V ）是不同掺杂石墨烯区域的热电动力（温差电势率），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=dT/dP，还有热容量，其决定了响应时间=[28]。石墨烯有很小的体积和很低的态密度，因而得到很低的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n引起的光诱导的改变，因而其电导率=。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，提高光电导的增益。同时，长的减慢了运行速度。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。

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%。

（a）（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