碳納米管薄膜光探測器最新進展

近期，北京大學彭練矛教授、王勝副研究員在清華大學主辦的高起點新刊Nano Research Energy上發(fā)表題為“Recent Progress of Photodetector based on Carbon Nanotube Film and Application in Optoelectronic Integration”的綜述文章，該綜述全面介紹了高純度半導體碳納米管的提純和薄膜制備、碳納米管薄膜紅外探測器以及碳納米管光電集成研究方面的最新進展。

圖1 碳納米管探測器和光電集成

碳納米管材料由于具有高紅外吸收系數（3×10? cm?1）、高遷移率（10? cm2 V s?1）、基底適配范圍廣以及低溫加工工藝的特點（＜ 200 ℃）得到了廣泛的關注。隨著近幾年來碳納米管溶液提純技術的不斷進步，高半導體純度碳納米管薄膜的制備技術的日趨成熟為制備大面積，均一的高性能光電器件和邏輯電路等奠定了材料基礎，文章梳理了不同半導體碳納米管提純技術的特點和最新研究進展。

在碳納米管薄膜紅外探測器性能研究方面，回顧了不同類型的碳納米管紅外探測器研究的代表性工作，總結了不同類型探測器的特點以及最新研究進展，包括熱探測器，光電導探測器和光伏探測器等。同時介紹了課題組利用非對稱歐姆接觸金屬制備的無勢壘雙極性碳納米管二極管探測器的特點和在此基礎上開展的一系列研究工作。

圖2 基于碳納米管的紅外探測器的典型機理和器件結構

文章進一步總結了碳納米管光電集成方面的特點及最新研究進展。碳納米管薄膜在光電器件和集成電路方面相對傳統(tǒng)半導體材料而言具有一定的優(yōu)勢和潛力，其優(yōu)勢如下：

（1）碳納米管可以同時構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；

（2）半導體碳納米管的帶隙可以隨手性調節(jié)，覆蓋短波紅外波段；

（3）碳納米管器件可以采用低溫無摻雜的加工工藝，滿足三維集成的熱預算要求；

（4）碳納米管是一維半導體，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，存儲以及處理。碳納米管在電子學和光電子學的優(yōu)勢有助于它可以構建光電集成系統(tǒng)。

最后，作者對碳納米管探測器和光電集成的未來研究方向進行了展望。雖然碳納米管在已有的紅外探測器和光電集成系統(tǒng)中已經展現巨大的優(yōu)勢和潛力，但是在走向應用過程中也存在一定的挑戰(zhàn)。包括碳納米管的半導體純度控制、薄膜厚度控制、表面聚合物導致摻雜效應以及帶來的金屬歐姆接觸等問題限制了其器件性能的進一步提升。因此較為理想的碳納米管薄膜需要滿足以下要求：

（1）碳納米管薄膜的半導體純度需要大于99.9999%，并且薄膜具有很好的均一性；

（2）碳納米管薄膜具有一定的厚度可控性以保證光吸收效率；

（3）碳納米管薄膜表面干凈，在提純過程中引入的表面聚合物或者分散劑等雜質可以被有效去除，減小對器件性能的影響；

（4）碳納米管薄膜的排列具有一定取向性。

改進后的碳納米管薄膜探測器性能將會進一步提升并且實現高性能的光電集成系統(tǒng)，從而發(fā)揮出碳納米管光電器件和光電集成的優(yōu)勢。

圖3 碳納米管的光電集成系統(tǒng)
責任編輯：彭菁