高性能碳納米管光電器件和光電集成——科技論文

一、引言

隨著集成度和特征尺寸不斷的發(fā)展，集成電路逐漸成為信息社會(huì)發(fā)展的基礎(chǔ)，而且由于集成度的不斷增加，光電器件的特征長(zhǎng)度不斷被推向極限，逐漸縮小至納米量級(jí)。近些年來(lái)，納米技術(shù)得到了充足的發(fā)展，而且仍有很大的發(fā)展?jié)摿?。納米技術(shù)的不斷的發(fā)展對(duì)納米電子學(xué)和納米光子學(xué)的發(fā)展有著基礎(chǔ)性的推動(dòng)作用，已經(jīng)為解決在片光電集成技術(shù)奠定了良好的基礎(chǔ)，并且一維納米材料碳納米管有著優(yōu)異的電學(xué)和光學(xué)特性，這種材料未來(lái)將會(huì)逐漸應(yīng)用到片光電集成發(fā)展中。因此，有必要進(jìn)一步優(yōu)化碳納米管器件結(jié)構(gòu)，改進(jìn)設(shè)計(jì)提高其性能。

二、碳納米管及其光電器件

2.1 碳納米管

碳納米管，又名巴基管，是一種具有特殊結(jié)構(gòu)的一維量子材料。碳納米管可以看做是石墨烯片層卷曲而成，因此按照石墨烯片的層含缺陷碳納米管數(shù)可分為：?jiǎn)伪谔技{米管（如圖1）和多壁碳納米管。其中，單壁碳納米管可以看做是由單層石墨烯沿著一定方向卷曲而成。根據(jù)對(duì)稱(chēng)性碳管可以將其分為手性碳管和非手性碳管，碳納米管會(huì)因?yàn)槭中圆煌脑颍尸F(xiàn)很多獨(dú)特的現(xiàn)象，即它可能是導(dǎo)體，也可能是半導(dǎo)體，而且半導(dǎo)體的帶隙也會(huì)隨直徑的變化而各不相同，導(dǎo)致不同直徑的碳管可以吸收不同波長(zhǎng)的光子，具有很高的光吸收系數(shù)，被譽(yù)為“最黑的材料”，因此它在光學(xué)領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用前景。另外，碳納米管還是一種有意的電學(xué)材料，碳納米管的電導(dǎo)接近極限電導(dǎo)，本征遷移率高，平均自由程較長(zhǎng)。就金屬型碳納米管來(lái)說(shuō)，其量子電導(dǎo)可以到2e2/h，接近理論極限，且可以承受高達(dá)109A/cm2電流密度。

2.2 碳納米管光電器件

碳納米管光電器件的工作原理為，電子吸收光子能量后，首先形成激子，隨后高能級(jí)的激子衰減為低能級(jí)的自由電子空穴，激子衰減為自由電子空穴后再內(nèi)建電場(chǎng)的作用下分離并被外電路收集，從而形成輸出信號(hào)。碳管的制備工藝包括光學(xué)曝光、電子束鍍膜、SEM定位碳納米管等，通過(guò)制備就可以制作出由于生產(chǎn)碳納米管光電器件的二極管。二極管是現(xiàn)代光電系統(tǒng)的最基本原件，基于碳納米管的二極管可以通過(guò)對(duì)碳納米管進(jìn)行化學(xué)摻雜來(lái)實(shí)現(xiàn)p-n結(jié)，通過(guò)金半接觸可實(shí)現(xiàn)內(nèi)部電勢(shì)差。通過(guò)分離柵結(jié)構(gòu)等二極管制備工藝制作的非對(duì)稱(chēng)無(wú)勢(shì)壘雙極性二極管具有很明顯的優(yōu)勢(shì)，主要表現(xiàn)為：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作程序簡(jiǎn)便；器件尺寸小，功耗低；有著很好的穩(wěn)定性等。

碳納米管光電器件的光電壓與管徑大小密切相關(guān)，其中，對(duì)于單壁碳納米管來(lái)說(shuō)，其直徑大約在0.8nm-3nm之間，對(duì)應(yīng)的光電壓為0.2V-1.5V。然而這只是理論上的數(shù)據(jù)，在實(shí)際測(cè)量中則要小得多，一般的二極管光電壓只有0.2V左右。在這種情況下，光電集成電路很難有效驅(qū)動(dòng)下一級(jí)的放大電路，因此，必須要提高其高效性。這就要引入非對(duì)稱(chēng)無(wú)勢(shì)壘雙極性二極管的研究。為了達(dá)到有效解決碳納米管光電器件輸出光電壓信號(hào)小的問(wèn)題，可以通過(guò)在碳管二極管中引入級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)。而且實(shí)踐研究證明，通過(guò)引入虛電極（不會(huì)向外傳導(dǎo)電流）可以實(shí)現(xiàn)無(wú)勢(shì)壘雙極性碳管二極管的級(jí)聯(lián)。這就有分為串聯(lián)和并聯(lián)兩種情況。由于在串聯(lián)電路中，短路電流往往低于串聯(lián)結(jié)構(gòu)中的單獨(dú)器件的電流，因此，可以在單根碳納米管上引入并聯(lián)結(jié)構(gòu)，這樣二極管總短路電流為子器件之和，以增加二極管的光電流輸出強(qiáng)度。

三、高性能碳納米管光電集成

3.1 光電集成

所謂光電集成就是為了制備穩(wěn)定性高，成本低廉的小型化光電集成回路。一般而言，一個(gè)光電集成回路通常包括光發(fā)射器、光探測(cè)器、光波導(dǎo)、驅(qū)動(dòng)電路和處理電路。相較于電子電路，光電集成電路具有傳輸速率快、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，因而基于光電器件的集成電路將會(huì)被廣泛應(yīng)用到通信、自動(dòng)化控制、信息處理等高技術(shù)領(lǐng)域，成為未來(lái)信息傳輸和信息處理的主要工具。然而，不可否認(rèn)的是，當(dāng)前這種集成電路的制備工藝受限，沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)化，且生產(chǎn)成本高，難以規(guī)?；a(chǎn)，發(fā)展速度緩慢，現(xiàn)階段的光電集成電路尚處于初級(jí)階段。

3.2 光電集成與碳納米管

光電集成電路在制備工藝上，成本低廉、穩(wěn)定性高的單片集成方式應(yīng)用較為廣泛，當(dāng)前光通信高速發(fā)展，為了滿足其發(fā)展的需要，必須要尋找一種高效的片光電集成方法，而碳納米管就是一種不錯(cuò)的選擇。碳納米管具有很強(qiáng)的光學(xué)和電學(xué)性能，具有高的光吸收系數(shù)，有著很強(qiáng)的兼容性及較快的光響應(yīng)特征，是制備單片光電集成電路的理想材料。尤其是半導(dǎo)體單壁碳納米管，在集成電路制備方面已有了很大的進(jìn)展。總之，光電集成通過(guò)引入碳納米管元件能夠獲得高性能的單片光電集成電路，而且還會(huì)促使未來(lái)的光電集成逐步實(shí)現(xiàn)從微米量級(jí)的大小向亞微米級(jí)甚至是納米量級(jí)的轉(zhuǎn)變，屆時(shí)光電集成各方面的性能都將會(huì)得到最大程度的提高。

四、總結(jié)與展望

總之，單壁碳納米管具有很高的光吸收系數(shù)，光響應(yīng)速度極快，且其能隙隨直徑可調(diào)，因而在納米尺度光電集成回路方面具有巨大的應(yīng)用前景。當(dāng)前光電集成回路存在著工藝不匹配、制備工作效率較低等問(wèn)題，尋找這些問(wèn)題的解決方法，探索新的解決思路，將會(huì)不斷促進(jìn)碳納米管一體化光電集成的向前發(fā)展。

另外，在碳納米管光電器件和光電集成領(lǐng)域取得了一些成績(jī)的同時(shí)，也應(yīng)清醒的認(rèn)識(shí)到，基于碳納米管的光電器件發(fā)展還有很長(zhǎng)的一段路要走，仍有很多技術(shù)性問(wèn)題亟待解決，比如，光電器件的發(fā)光效率提升問(wèn)題，碳納米管生長(zhǎng)的可控性問(wèn)題等，未來(lái)隨著碳納米管材料生長(zhǎng)技術(shù)和器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的日臻成熟，碳納米管光電器件將很有可能實(shí)現(xiàn)在片光互連。

參考文獻(xiàn)

[1] 北京大學(xué)在碳納米管光電器件研究方面有新進(jìn)展[J].中國(guó)粉體工業(yè),2011.

[2] 向毅等.碳納米管光電器件光學(xué)特性的電磁模型研究[J].半導(dǎo)體光電,2013.

本文來(lái)源：http://m.k2057.cn/w/kj/826.html  《科技風(fēng)》