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碳納米管薄膜光探測器進(jìn)展及光電集成應(yīng)用
目前市場上的商用短波紅外（SWIR）光電探測器主要由InGaAs等III-V族材料構(gòu)成，其動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍超過70 dB，暗電流低于鍺，外部量子效率（EQE）高達(dá)70%。但這些探測器價(jià)格昂貴，百萬像素InGaAs探測器的成本超過1萬美元，這是限制其廣泛使用的主要因素。首先，高質(zhì)量的InGaAs晶體生長需要高質(zhì)量的InP襯底和高真空外延設(shè)備。Extend-InGaAs（截止波長超過1.7μm）在地球觀測和空間成像中具有特殊應(yīng)用，需要額外的冷卻設(shè)備來減少由晶格與InP襯底晶格失配引起的暗電流。其次，由于與硅襯底存在嚴(yán)重的晶格失配，InGaAs成像儀只能通過倒裝芯片鍵合與硅讀出電路集成。復(fù)雜的工藝和低良率進(jìn)一步增加了InGaAs相機(jī)的成本。第三代紅外光電探測器的發(fā)展提出了小像素尺寸、輕量化、低功耗、高性能、低價(jià)格（SWP3）的要求和挑戰(zhàn)，這為量子點(diǎn)、碳納米管、二維(2D)材料等新型低維納米材料提供了新的機(jī)遇。 基于半導(dǎo)體單壁碳納米管(s-SWCNT)的光電器件由于其優(yōu)異的電學(xué)和光學(xué)性能，在過去二十年中得到了廣泛的研究。首先，s-SWCNT是一種直接帶隙半導(dǎo)體，具有高紅外吸收系數(shù)（3×105 cm-1）和高電子/空穴遷移率（105 cm2 V s-1）。此外，作為一種典型的一維材料，s-SWCNT 與任何基底之間都沒有晶格失配。s-SWCNT 光電子器件的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以在低溫下加工（＜200℃）。s-SWCNT 在太陽能電池、發(fā)光二極管(LED)、光電探測器和三維(3D)光電集成方面具有有趣的潛力和應(yīng)用。近年來，隨著溶液提純技術(shù)的進(jìn)步，高純度s-SWCNTs 薄膜為構(gòu)建大面積、均勻、高性能光電器件奠定了基礎(chǔ)。 圖1. 碳納米管探測器和光電集成 近日，北京大學(xué)彭練矛教授、王勝副研究員等綜述了基于 s-SWCNTs 薄膜的光電器件及其相關(guān)課題，包括高純度s-SWCNTs薄膜的制備、基于 s-SWCNTs 薄膜的光電探測器的研究進(jìn)展以及 s-SWCNTs 薄膜光電探測器面臨的挑戰(zhàn)。相關(guān)研究成果以“Recent Progress of Photodetector based on Carbon Nanotube Film and Application in Optoelectronic Integration"為題發(fā)表在 Nano Research Energy 上。 回顧 s-SWCNTs 薄膜光電探測器的進(jìn)展可以闡明 s-SWCNT 薄膜光電探測器和光電集成的研究現(xiàn)狀，挑戰(zhàn)和應(yīng)用。本文從三個(gè)部分概述了s-SWCNT技術(shù)： （1）s-SWCNT薄膜光電探測器的研究現(xiàn)狀； （2）基于s-SWCNT薄膜光電探測器的單片/三維光電集成的研究現(xiàn)狀； （3）s-SWCNT薄膜和器件結(jié)構(gòu)對(duì)理想s-SWCNT薄膜光電探測器和光電集成的要求。 碳納米管薄膜在光電器件和集成電路方面相對(duì)傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料而言具有一定的優(yōu)勢和潛力，其優(yōu)勢如下: （1）碳納米管可以同時(shí)構(gòu)建高性能的集成電路，光發(fā)射和光探測器件，是理想的光電一體化集成平臺(tái)； （2）半導(dǎo)體碳納米管的帶隙可以隨手性調(diào)節(jié)，覆蓋短波紅外波段； （3）碳納米管器件可以采用低溫?zé)o摻雜的加工工藝，滿足三維集成的熱預(yù)算要求； （4）碳納米管是一維半導(dǎo)體，和襯底不存在晶格失配，利于多層堆疊的三維光電集成或者在片光電集成。 三維光電集成或者在片光電集成一方面是可以極大的提升光電子芯片的集成密度；另一方面是可以在片完成信息的收集，存儲(chǔ)以及處理。碳納米管在電子學(xué)和光電子學(xué)的優(yōu)勢有助于它可以構(gòu)建光電集成系統(tǒng)。 該領(lǐng)域的下一步是通過優(yōu)化s-SWCNT薄膜和器件結(jié)構(gòu)來提高s-SWCNT薄膜光電探測器的性能。對(duì)于s-SWCNT薄膜優(yōu)化，均勻s-SWCNT薄膜的半導(dǎo)體純度需要大于99.9999%。 達(dá)到這些純度水平并非易事。早期的純化方法試圖在薄膜生長后燃燒掉 s-SWCNT 雜質(zhì)，但導(dǎo)致薄膜具有許多缺陷。從那時(shí)起，共軛聚合物已被用于純化s-SWCNTs，不僅可以從雜質(zhì)中純化，還可以從其直徑中純化，因?yàn)椴煌睆降?/span>s-SWCNT決定了薄膜可以檢測到的波長。最近，一種分揀過程已經(jīng)達(dá)到了高性能電子產(chǎn)品所需的s-SWCNT純度水平。
圖2. 通過共軛聚合物純化s-SWCNTs并制備薄膜
s-SWCNT薄膜制備也需要優(yōu)化，包括厚度、透明度和排列。已經(jīng)開發(fā)了許多方法來生長s-SWCNT薄膜，但沉積和浸涂方法通常因其簡單性，穩(wěn)定性和產(chǎn)生的均勻薄膜而受到青睞。一種可擴(kuò)展且高效的浸涂方法通過簡單地修改基材從分散的 s-SWCNT 的有機(jī)溶劑中提離的次數(shù)和每次提升的速度來控制 s-SWCNTs 沉積。
電子領(lǐng)域認(rèn)識(shí)到 s-SWCNTs 作為高性能短波紅外探測器的合適材料的潛力，但由InGaAs等材料制成的傳統(tǒng)光電探測器與s-SWCNT薄膜光電探測器之間存在顯著的性能差距。研究的最終目標(biāo)是優(yōu)化 s-SWCNT 薄膜光電探測器的性能，這樣它們就能以更低的成本與商業(yè)光電探測器相媲美。
圖3. 基于碳納米管的紅外探測器的典型機(jī)理和器件結(jié)構(gòu)
研究人員認(rèn)為，這種性能的提高和成本的降低將導(dǎo)致更多的短波紅外光電探測器薄膜集成到設(shè)備中，并在未來開發(fā)新的光電應(yīng)用。該領(lǐng)域還渴望將高性能碳納米管集成到電路中。
圖4. s-SWCNTs薄膜光電探測器的單片3D集成演示
文獻(xiàn)信息： Xiang Cai et al, Recent progress of photodetector based on carbon nanotube film and application in optoelectronic integration, Nano Research Energy (2023). DOI: 10.26599/NRE.2023.9120058 本文來源：碳材料大會(huì)