自卷曲三维石墨烯场效应管用作高性能光电传感器

来源：中国激光

     北京交通大学邓涛副教授课题组与清华大学刘泽文教授课题组、赵自然教授课题组、李越副教授课题组合作，在超宽带光电探测器领域取得重要进展。研究团队利用自卷曲技术，制备出了微管式三维（3D）石墨烯场效应管（GFET），并将其应用于光电传感，实现了对紫外光、可见光、红外光、太赫兹波的超高响应度、超快探测，为基于二维（2D）材料的高性能光电器件设计、制造与应用提供了新的思路和技术方案。

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光电传感器是光通信、成像、传感等许多领域的核心元件。石墨烯具有独特的零带隙结构、超快的载流子迁移率等优异的光学、电学特性，是制造高性能光电传感器的理想材料。现有的石墨烯光电传感器多采用平面2D GFET结构，已经实现了较大的带宽和超快的响应速度。然而，由于单层石墨烯对光的吸收率很低（~2.3%），导致2D GFET式光电传感器的响应度不高。通过将石墨烯与光敏物质相结合可以有效提高石墨烯光电传感器的响应度，但是带宽和响应速度会严重受损，导致器件的综合性能不高。

针对这一难题，研究团队提出并采用基于氮化硅拉/压双应力层的自卷曲方法，将埋栅式平面2D GFET自卷曲为微管状3D GFET，使得3D GFET形成了一个尺寸在微米量级的光学谐振腔，并且芯片面积极大地减小（可达90%以上），如图1a-d所示。通过调节氮化硅拉/压双应力层的应力大小和比例，以及改变2D GFET器件尺寸，可以精确控制3D GFET的自卷曲半径（30~60 µm）和层数（1~5层），如图1e所示。这种3D GFET制造方法与IC制造工艺完全兼容，可以低成本的批量制造大规模3D石墨烯器件阵列（图1f），这为3D石墨烯器件的研发和应用铺平了道路。

图1 自卷曲三维（3D）石墨烯场效应管（GFET）

这种3D GFET器件可以用作高性能光电传感器。在波长为325 nm的激光辐射下，3D GFET器件的响应度比具有相同器件尺寸的2D GFET器件的响应度高3个数量级以上，通过给3D GFET的埋栅电极施加一个很小的栅极电压（≤6 V）还可显著提高其响应度，如图2a-c所示。在可见光范围内，研究团队观测到了类似的响应度显著增强现象。为了探究其机理，研究团队利用有限元分析方法（COMSOL Multiphysics）对激光辐射下3D GFET周围光场（电磁场）进行了模拟，结果表明光学谐振微腔使得3D GFET表面的电场强度极大地增强，同时多层微管式结构也使得单位入射光面积内石墨烯感光面积大为增加，从而导致3D GFET在紫外光和可见光区域的响应度可达1 A/W以上（图2e-f）。最为重要的是，这种通过光学谐振腔增大石墨烯光电传感器响应度的方法不会损害其响应速度，瞬时光电响应测试得到的3D GFET光电传感器的上升时间约为265 ns（图2d）。考虑到检测系统的带宽为1 MHz，3D GFET光电传感器的实际响应速度会更快。

图2 3D GFET在紫外光、可见光区域的光电性能

研究团队发现这种3D GFET还可以用于红外光和太赫兹（THz）波的探测。在波长为119 µm（2.52 THz）的THz波辐射下，3D GFET的响应度随着自卷曲微管层数的增大而增大（图3a-c）。自卷曲层数为5层的3D GFET在波长为10.6 μm、96 μm的红外光区域和THz区域的响应度分别为16.4 mA/W（图3d）和232.8 mA/W（图3e），远远大于相同条件下2D GFET器件的响应度（图3f）。

图3 3D GFET在中红外光、太赫兹（THz）波区域的光电性能

该研究提出了一种三维（3D）石墨烯场效应管（GFET）制造方法，实现了具有超小体积的3D GFET低成本、批量化制造，并将其应用于光电传感，克服了传统平面二维（2D）石墨烯光电传感器高响应度、宽带宽、快速响应不可得兼的难题，实现了对紫外光、可见光、红外光、太赫兹波的超高响应度、超快探测。考虑到石墨烯是二维材料的典型代表、场效应管是集成电路的核心元件，该研究提出的3D GFET制造方法还可以推广至二硫化钼、黑磷等其他类石墨烯二维材料以及电感、电容、太阳能电池等其他3D电子、光子器件。从而，该成果对基于二维材料的微纳器件与系统领域的研究具有重要意义。

相关成果以Three-Dimensional Graphene Field-Effect Transistors as High Performance Photodetectors为题，发表在Nano Letters [19, 1494(2019)]上。该工作受到国家自然科学基金（61604009）以及北京市自然科学基金（4164095）项目的资助支持。

论文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.8b04099