碳纳米管薄膜光探测器最新进展及光电集成应用

目前市场上的商用短波红外（SWIR）光电探测器主要由InGaAs等III-V族材料构成，其动态响应范围超过70 dB，暗电流低于锗，外部量子效率（EQE）高达70%。但这些探测器价格昂贵，百万像素InGaAs探测器的成本超过1万美元，这是限制其广泛使用的主要因素。首先，高质量的InGaAs晶体生长需要高质量的InP衬底和高真空外延设备。Extend-InGaAs（截止波长超过1.7μm）在地球观测和空间成像中具有特殊应用，需要额外的冷却设备来减少由晶格与InP衬底晶格失配引起的暗电流。其次，由于与硅衬底存在严重的晶格失配，InGaAs成像仪只能通过倒装芯片键合与硅读出电路集成。复杂的工艺和低良率进一步增加了InGaAs相机的成本。第三代红外光电探测器的发展提出了小像素尺寸、轻量化、低功耗、高性能、低价格（SWP3）的要求和挑战，这为量子点、碳纳米管、二维(2D)材料等新型低维纳米材料提供了新的机遇。

基于半导体单壁碳纳米管(s-SWCNT)的光电器件由于其优异的电学和光学性能，在过去二十年中得到了广泛的研究。首先，s-SWCNT是一种直接带隙半导体，具有高红外吸收系数（3×10⁵ cm^-1）和高电子/空穴迁移率（10⁵ cm² V s^-1）。此外，作为一种典型的一维材料，s-SWCNT 与任何基底之间都没有晶格失配。s-SWCNT 光电子器件的另一个优点是可以在低温下加工（＜200℃）。s-SWCNT 在太阳能电池、发光二极管(LED)、光电探测器和三维(3D)光电集成方面具有有趣的潜力和应用。近年来，随着溶液提纯技术的进步，高纯度s-SWCNTs 薄膜为构建大面积、均匀、高性能光电器件奠定了基础。

图1. 碳纳米管探测器和光电集成

 

近日，北京大学彭练矛教授、王胜副研究员等综述了基于 s-SWCNTs 薄膜的光电器件及其相关课题，包括高纯度s-SWCNTs薄膜的制备、基于 s-SWCNTs 薄膜的光电探测器的研究进展以及 s-SWCNTs 薄膜光电探测器面临的挑战。相关研究成果以“Recent Progress of Photodetector based on Carbon Nanotube Film and Application in Optoelectronic Integration”为题发表在 Nano Research Energy 上。

回顾 s-SWCNTs 薄膜光电探测器的进展可以阐明 s-SWCNT 薄膜光电探测器和光电集成的研究现状，挑战和应用。本文从三个部分概述了s-SWCNT技术：

（1）s-SWCNT薄膜光电探测器的研究现状；

（2）基于s-SWCNT薄膜光电探测器的单片/三维光电集成的研究现状；

（3）s-SWCNT薄膜和器件结构对理想s-SWCNT薄膜光电探测器和光电集成的要求。

碳纳米管薄膜在光电器件和集成电路方面相对传统半导体材料而言具有一定的优势和潜力，其优势如下:

（1）碳纳米管可以同时构建高性能的集成电路，光发射和光探测器件，是理想的光电一体化集成平台；

（2）半导体碳纳米管的带隙可以随手性调节，覆盖短波红外波段；

（3）碳纳米管器件可以采用低温无掺杂的加工工艺，满足三维集成的热预算要求；

（4）碳纳米管是一维半导体，和衬底不存在晶格失配，利于多层堆叠的三维光电集成或者在片光电集成。

 

三维光电集成或者在片光电集成一方面是可以极大的提升光电子芯片的集成密度；另一方面是可以在片完成信息的收集，存储以及处理。碳纳米管在电子学和光电子学的优势有助于它可以构建光电集成系统。

 

该领域的下一步是通过优化s-SWCNT薄膜和器件结构来提高s-SWCNT薄膜光电探测器的性能。对于s-SWCNT薄膜优化，均匀s-SWCNT薄膜的半导体纯度需要大于99.9999%。

 

达到这些纯度水平并非易事。早期的纯化方法试图在薄膜生长后燃烧掉 s-SWCNT 杂质，但导致薄膜具有许多缺陷。从那时起，共轭聚合物已被用于纯化s-SWCNTs，不仅可以从杂质中纯化，还可以从其直径中纯化，因为不同直径的s-SWCNT决定了薄膜可以检测到的波长。最近，一种分拣过程已经达到了高性能电子产品所需的s-SWCNT纯度水平。

图2. 通过共轭聚合物纯化s-SWCNTs并制备薄膜

s-SWCNT薄膜制备也需要优化，包括厚度、透明度和排列。已经开发了许多方法来生长s-SWCNT薄膜，但沉积和浸涂方法通常因其简单性，稳定性和产生的均匀薄膜而受到青睐。一种可扩展且高效的浸涂方法通过简单地修改基材从分散的 s-SWCNT 的有机溶剂中提离的次数和每次提升的速度来控制 s-SWCNTs 沉积。

 

电子领域认识到 s-SWCNTs 作为高性能短波红外探测器的合适材料的潜力，但由InGaAs等材料制成的传统光电探测器与s-SWCNT薄膜光电探测器之间存在显著的性能差距。研究的最终目标是优化 s-SWCNT 薄膜光电探测器的性能，这样它们就能以更低的成本与商业光电探测器相媲美。

 

图3. 基于碳纳米管的红外探测器的典型机理和器件结构

 

研究人员认为，这种性能的提高和成本的降低将导致更多的短波红外光电探测器薄膜集成到设备中，并在未来开发新的光电应用。该领域还渴望将高性能碳纳米管集成到电路中。

 

图4. s-SWCNTs薄膜光电探测器的单片3D集成演示

本文来源：碳材料大会