高性能碳纳米管光电器件和光电集成——科技论文

一、引言

随着集成度和特征尺寸不断的发展，集成电路逐渐成为信息社会发展的基础，而且由于集成度的不断增加，光电器件的特征长度不断被推向极限，逐渐缩小至纳米量级。近些年来，纳米技术得到了充足的发展，而且仍有很大的发展潜力。纳米技术的不断的发展对纳米电子学和纳米光子学的发展有着基础性的推动作用，已经为解决在片光电集成技术奠定了良好的基础，并且一维纳米材料碳纳米管有着优异的电学和光学特性，这种材料未来将会逐渐应用到片光电集成发展中。因此，有必要进一步优化碳纳米管器件结构，改进设计提高其性能。

二、碳纳米管及其光电器件

2.1 碳纳米管

碳纳米管，又名巴基管，是一种具有特殊结构的一维量子材料。碳纳米管可以看做是石墨烯片层卷曲而成，因此按照石墨烯片的层含缺陷碳纳米管数可分为：单壁碳纳米管（如图1）和多壁碳纳米管。其中，单壁碳纳米管可以看做是由单层石墨烯沿着一定方向卷曲而成。根据对称性碳管可以将其分为手性碳管和非手性碳管，碳纳米管会因为手性不同的原因，呈现很多独特的现象，即它可能是导体，也可能是半导体，而且半导体的带隙也会随直径的变化而各不相同，导致不同直径的碳管可以吸收不同波长的光子，具有很高的光吸收系数，被誉为“最黑的材料”，因此它在光学领域有着巨大的应用前景。另外，碳纳米管还是一种有意的电学材料，碳纳米管的电导接近极限电导，本征迁移率高，平均自由程较长。就金属型碳纳米管来说，其量子电导可以到2e2/h，接近理论极限，且可以承受高达109A/cm2电流密度。

2.2 碳纳米管光电器件

碳纳米管光电器件的工作原理为，电子吸收光子能量后，首先形成激子，随后高能级的激子衰减为低能级的自由电子空穴，激子衰减为自由电子空穴后再内建电场的作用下分离并被外电路收集，从而形成输出信号。碳管的制备工艺包括光学曝光、电子束镀膜、SEM定位碳纳米管等，通过制备就可以制作出由于生产碳纳米管光电器件的二极管。二极管是现代光电系统的最基本原件，基于碳纳米管的二极管可以通过对碳纳米管进行化学掺杂来实现p-n结，通过金半接触可实现内部电势差。通过分离栅结构等二极管制备工艺制作的非对称无势垒双极性二极管具有很明显的优势，主要表现为：结构简单，制作程序简便；器件尺寸小，功耗低；有着很好的稳定性等。

碳纳米管光电器件的光电压与管径大小密切相关，其中，对于单壁碳纳米管来说，其直径大约在0.8nm-3nm之间，对应的光电压为0.2V-1.5V。然而这只是理论上的数据，在实际测量中则要小得多，一般的二极管光电压只有0.2V左右。在这种情况下，光电集成电路很难有效驱动下一级的放大电路，因此，必须要提高其高效性。这就要引入非对称无势垒双极性二极管的研究。为了达到有效解决碳纳米管光电器件输出光电压信号小的问题，可以通过在碳管二极管中引入级联结构。而且实践研究证明，通过引入虚电极（不会向外传导电流）可以实现无势垒双极性碳管二极管的级联。这就有分为串联和并联两种情况。由于在串联电路中，短路电流往往低于串联结构中的单独器件的电流，因此，可以在单根碳纳米管上引入并联结构，这样二极管总短路电流为子器件之和，以增加二极管的光电流输出强度。

三、高性能碳纳米管光电集成

3.1 光电集成

所谓光电集成就是为了制备稳定性高，成本低廉的小型化光电集成回路。一般而言，一个光电集成回路通常包括光发射器、光探测器、光波导、驱动电路和处理电路。相较于电子电路，光电集成电路具有传输速率快、稳定性好、抗干扰能力强等优势，因而基于光电器件的集成电路将会被广泛应用到通信、自动化控制、信息处理等高技术领域，成为未来信息传输和信息处理的主要工具。然而，不可否认的是，当前这种集成电路的制备工艺受限，没有标准化，且生产成本高，难以规模化生产，发展速度缓慢，现阶段的光电集成电路尚处于初级阶段。

3.2 光电集成与碳纳米管

光电集成电路在制备工艺上，成本低廉、稳定性高的单片集成方式应用较为广泛，当前光通信高速发展，为了满足其发展的需要，必须要寻找一种高效的片光电集成方法，而碳纳米管就是一种不错的选择。碳纳米管具有很强的光学和电学性能，具有高的光吸收系数，有着很强的兼容性及较快的光响应特征，是制备单片光电集成电路的理想材料。尤其是半导体单壁碳纳米管，在集成电路制备方面已有了很大的进展。总之，光电集成通过引入碳纳米管元件能够获得高性能的单片光电集成电路，而且还会促使未来的光电集成逐步实现从微米量级的大小向亚微米级甚至是纳米量级的转变，届时光电集成各方面的性能都将会得到最大程度的提高。

四、总结与展望

总之，单壁碳纳米管具有很高的光吸收系数，光响应速度极快，且其能隙随直径可调，因而在纳米尺度光电集成回路方面具有巨大的应用前景。当前光电集成回路存在着工艺不匹配、制备工作效率较低等问题，寻找这些问题的解决方法，探索新的解决思路，将会不断促进碳纳米管一体化光电集成的向前发展。

另外，在碳纳米管光电器件和光电集成领域取得了一些成绩的同时，也应清醒的认识到，基于碳纳米管的光电器件发展还有很长的一段路要走，仍有很多技术性问题亟待解决，比如，光电器件的发光效率提升问题，碳纳米管生长的可控性问题等，未来随着碳纳米管材料生长技术和器件结构设计的日臻成熟，碳纳米管光电器件将很有可能实现在片光互连。

参考文献

[1] 北京大学在碳纳米管光电器件研究方面有新进展[J].中国粉体工业,2011.

[2] 向毅等.碳纳米管光电器件光学特性的电磁模型研究[J].半导体光电,2013.

本文来源：http://www.zzqklm.com/w/kj/826.html  《科技风》