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展，集成電路逐漸成為信息社會發展的基礎，而且由于集成度的不斷增加，光電器件的特征長度不斷被推向極限，逐漸縮小至納米量級。近些年來，納米技術得到了充足的發展，而且仍有很大的發展潛力。納米技術的不斷的發展對納米電子學和納米光子學的發展有著基礎性的推動作用，已經為解決在片光電集成技術奠定了良好的基礎，并且一維納米材料碳納米管有著優異的電學和光學特性，這種材料未來將會逐漸應用到片光電集成發展中。因此，有必要進一步優化碳納米管器件結構，改進設計提高其性能。

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，是一種具有特殊結構的一維量子材料。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可分為：單壁碳納米管（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。根據對稱性碳管可以將其分為手性碳管和非手性碳管，碳納米管會因為手性不同的原因，呈現很多獨特的現象，即它可能是導體，也可能是半導體，而且半導體的帶隙也會隨直徑的變化而各不相同，導致不同直徑的碳管可以吸收不同波長的光子，具有很高的光吸收系數，被譽為“最黑的材料”，因此它在光學領域有著巨大的應用前景。另外，碳納米管還是一種有意的電學材料，碳納米管的電導接近極限電導，本征遷移率高，平均自由程較長。就金屬型碳納米管來說，其量子電導可以到2e2/h，接近理論極限，且可以承受高達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，隨后高能級的激子衰減為低能級的自由電子空穴，激子衰減為自由電子空穴后再內建電場的作用下分離并被外電路收集，從而形成輸出信號。碳管的制備工藝包括光學曝光、電子束鍍膜、SEM定位碳納米管等，通過制備就可以制作出由于生產碳納米管光電器件的二極管。二極管是現代光電系統的最基本原件，基于碳納米管的二極管可以通過對碳納米管進行化學摻雜來實現p-n結，通過金半接觸可實現內部電勢差。通過分離柵結構等二極管制備工藝制作的非對稱無勢壘雙極性二極管具有很明顯的優勢，主要表現為：結構簡單，制作程序簡便；器件尺寸小，功耗低；有著很好的穩定性等。

碳納米管光電器件的光電壓與管徑大小密切相關，其中，對于單壁碳納米管來說，其直徑大約在0.8nm-3nm之間，對應的光電壓為0.2V-1.5V。然而這只是理論上的數據，在實際測量中則要小得多，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動下一級的放大電路，因此，必須要提高其高效性。這就要引入非對稱無勢壘雙極性二極管的研究。為了達到有效解決碳納米管光電器件輸出光電壓信號小的問題，可以通過在碳管二極管中引入級聯結構。而且實踐研究證明，通過引入虛電極（不會向外傳導電流）可以實現無勢壘雙極性碳管二極管的級聯。這就有分為串聯和并聯兩種情況。由于在串聯電路中，短路電流往往低于串聯結構中的單獨器件的電流，因此，可以在單根碳納米管上引入并聯結構，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定性高，成本低廉的小型化光電集成回路。一般而言，一個光電集成回路通常包括光發射器、光探測器、光波導、驅動電路和處理電路。相較于電子電路，光電集成電路具有傳輸速率快、穩定性好、抗干擾能力強等優勢，因而基于光電器件的集成電路將會被廣泛應用到通信、自動化控制、信息處理等高技術領域，成為未來信息傳輸和信息處理的主要工具。然而，不可否認的是，當前這種集成電路的制備工藝受限，沒有標準化，且生產成本高，難以規模化生產，發展速度緩慢，現階段的光電集成電路尚處于初級階段。

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、穩定性高的單片集成方式應用較為廣泛，當前光通信高速發展，為了滿足其發展的需要，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的選擇。碳納米管具有很強的光學和電學性能，具有高的光吸收系數，有著很強的兼容性及較快的光響應特征，是制備單片光電集成電路的理想材料。尤其是半導體單壁碳納米管，在集成電路制備方面已有了很大的進展。總之，光電集成通過引入碳納米管元件能夠獲得高性能的單片光電集成電路，而且還會促使未來的光電集成逐步實現從微米量級的大小向亞微米級甚至是納米量級的轉變，屆時光電集成各方面的性能都將會得到最大程度的提高。

四、總結與展望

總之，單壁碳納米管具有很高的光吸收系數，光響應速度極快，且其能隙隨直徑可調，因而在納米尺度光電集成回路方面具有巨大的應用前景。當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題，尋找這些問題的解決方法，探索新的解決思路，將會不斷促進碳納米管一體化光電集成的向前發展。

另外，在碳納米管光電器件和光電集成領域取得了一些成績的同時，也應清醒的認識到，基于碳納米管的光電器件發展還有很長的一段路要走，仍有很多技術性問題亟待解決，比如，光電器件的發光效率提升問題，碳納米管生長的可控性問題等，未來隨著碳納米管材料生長技術和器件結構設計的日臻成熟，碳納米管光電器件將很有可能實現在片光互連。

參考文獻

[1] 北京大學在碳納米管光電器件研究方面有新進展[J].中國粉體工業,2011.

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

本文來源：http://www.007hgw.com/w/kj/826.html  《科技風》