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光电集成系统是现代光纤通信的基础,也是构建微纳米尺度高速光互连的基本要素。远距离、低损耗的通信要求其光学元件可以工作于红外波段(1.55μm);随着光纤网络建设的推进,大规模工业生产要求光学器件与电子器件加工工艺相兼容。硅基材料作为当前集成电路的主流材料,受限于间接带隙的能带特征,其光电转换效率低,不适用于构建高效光电器件,如何进一步构建高效并与硅基集成电路匹配的光电器件成为当前光电器件和光电集成的重要研究课题。目前,虽然光电材料种类繁多,但多数光响应为可见波段,且室温下的响应度低,而更重要的一点是大多数光电器件的工艺与硅基电路不匹配,导致制备过程繁琐、成本高昂,难以实现规模化生产,因此构建高速光纤通信所必需的单片光电集成回路仍是一大挑战。单壁碳纳米管作为典型的一维纳米材料,具有优异的电学和光学性能,在纳米电子学和纳米光电子学等研究领域中备受瞩目。经过近二十年的发展,碳纳米管集成电路已初具规模。而直接带隙且随直径可调的特征,使其的光响应范围可覆盖至中红外波段;另外其优异的光吸收能力和光响应速度(ps量级)等,在红外光电子学方面具有巨大潜力。 本文选择碳纳米管作为构筑红外光电器件的关键材料,在非对称接触碳纳米管二极管的基础上,围绕着高性能碳纳米管光电器件与光电集成的主题,考察了高性能碳纳米管探测器的优化与实现,首次实现了碳管高效级联光伏器件,通过引入碳管阵列薄膜材料,提升了碳管红外探测器的性能,并探索了碳纳米管的光电集成,取得了以下成果: (1)碳纳米管光伏器件性能优化。到目前为止报道的碳纳米管光电器件大部分是基于化学掺杂,晶体管或分离栅的结构。这些结构存在稳定性差、制备工艺复杂或者功耗高等缺点。基于非对称接触的二极管结构可以有效克服以上问题,同时器件结构简单,性能优良。本文中,我们进一步研究了沟道长度对非对称结构二极管性能的影响。通过对无光照和有光照时的二极管的输出特性进行考察,发现对于特定直径的碳纳米管,存在一个特征的沟道长度,能够最大程度地抑制隧穿电流和串联电阻的影响,从而实现高性能的光电二极管。实验结果表明,经过优化后的二极管光电转化效率为0.11％,考虑碳纳米管的有效吸收面积和碳原子的吸收截面后,内量子转化效率约为57%。 (2)首次实现了碳管高效级联光伏器件。经过优化后的非对称接触二极管输出的光电流和光电压仍不能满足实际的要求,需要进一步优化设计,以求实现大信号输出。我们在经过优化的非对称无势垒二极管中创造性的引入了虚电极-Pd/Sc电极对,在很小的尺度范围内,无需任何掺杂,且不增加工艺步骤即可实现高效的光电压倍增。实验中,我们在10μm长的碳管上,得到1.0 V的光电压。其中引入的虚电极一方面为载流子的输运提供了一条通道,另一方面利用不同功函数金属电极与碳管导带和价带的选择性接触,在无需掺杂的情况下实现电压倍增。引入虚电极的级联光电二极管结构简单,性能稳定且高效。 (3)引入碳管阵列薄膜材料,发展了高效碳纳米管薄膜级联红外探测器。碳管阵列薄膜光电二极管,可以有效提高光电器件的输出光电流;而级联结构可以有效提高器件的信噪比。将级联结构和碳管阵列薄膜相结合,即可在室温下得到大电流输出和高信噪比的碳纳米管红外探测器。若半导体碳管阵列的密度为每微米100~200根,单级非对称二极管的探测率高达109 cmHz1/2/W。进一步引入五级级联结构后,提高了器件的信噪比,在15μm长的区域内构建了高敏的级联碳管阵列薄膜红外光探测器。 (4)初步探索了基于碳纳米管的电子-光电子集成回路,为实现高速光通信奠定了基础。我们发展的碳纳米管非对称级联结构光电器件的制备工艺完全与我们实验室先前发展的无掺杂制备碳纳米管电子集成电路工艺兼容。通过采用对称电极Pd或者Sc即可实现高性能碳纳米管电子器件和电路,而采用非对称电极则可实现高性能光电器件,电子和光电器件尺度相当,因此有望使用非常简单的工艺在同一根碳纳米管中实现电子和光电子器件的完美集成。作为演示,本论文展示了级联结构碳纳米管红外探测器输出的倍增光电压信号驱动n-FET,p-FET和CMOS的实验,实现了碳纳米管红外探测器与集成电路的集成,并进一步的理论分析了碳纳米管光电集成回路的时间响应。