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半导体型单壁碳纳米管(SWNTS)是一种结构独特的直接带隙半导体纳米材料,具有很高的载流子迁移率、随直径可调的禁带宽度,以及能够对应从紫外到红外的宽谱光吸收的多子带的对称能带结构,使得碳管在电子学和光电子学的应用方面显示出了非常广阔的前景。着眼于此,本篇论文集中研究了碳管薄膜器件的电学特性、光伏(PV)特性、红外探测性能以及相关的物理机制。 首先系统研究了基于网络状单壁碳管薄膜的场效应晶体管(FETs)器件的电学特性及输运机制。实验中采用的是浮动催化化学气相沉积法(FCCVD)直接在硅片表面生长的单壁碳管网络状薄膜,并以金属钯(Pd)作为源漏电极。通过用电流将金属管烧断,获得了高性能的p型场效应晶体管,其开关比大于104,最高迁移率超过200 cm2V-1S-1。高性能碳管薄膜器件的获得与碳管样品的质量密切相关。与大多数其他制备过程得到的薄膜样品不同,直接生长在硅片表面的碳管减少了转移或者分散等过程引入的缺陷,保证了器件的电学特性。 在p型薄膜FET的基础上,进一步研究了碳管网络薄膜二极管器件的特性。我们采用在一端电极上延伸几百纳米钪(Sc)作为n型接触的方法,制备了非对称Pd-Sc接触的碳管薄膜二极管,并显示出非常好的整流特性。通过在沟道上覆盖HfO2作为钝化层,保证了这种双极性二极管在零栅压下获得最佳的整流特性,还保持了器件的长期稳定性。进一步研究了薄膜二极管在红外光照射下的光伏(PV)特性,入射功率密度为1.5kW/cm2时,沟道长度为0.6μm的器件获得了0.21V的开路电压(Voc)和3.74nA的短路电流(Isc)。此外还研究了沟道长度对薄膜二极管光伏特性的影响。随着沟道长度增加,碳管与碳管之间的交叉结点增多,器件的电输运机制也由短沟道器件中的直接输运占主导转变为渗透输运占主导,其光电转换效率远小于短沟道器件,为碳管薄膜光伏器件的设计提供了重要的参考依据。 基于上述研究基础,采用石英衬底上生长的平行阵列碳管来构建薄膜光电二极管,并研究了其红外光探测特性。首先将碳管阵列从石英片转移到硅片上,接着采用与网络薄膜二极管相同的制作过程,获得非对称Pd-Sc接触的二极管器件,其整流比接近104二极管的红外光电响应测量表明,其室温下的电流响应率和探测率分别可达9.87×10-5A/W和1.09×107cmHz1/2/W。进一步的分析发现,这两个反映探测器灵敏度的重要特征参数与器件沟道中的碳管密度有着较大的依赖关系,可以采用增加碳管密度的方法来提高器件的探测率极限,表明这种无掺杂的二极管在红外探测方面具有巨大的潜力。 最后研究了基于碳管平行阵列的高性能级联红外光伏探测器。首先主要是对单个二极管的光电压探测性能进行分析,通过对比研究发现,同一个二极管的电压探测率可以比电流探测率高约一个数量级。接着研究五个二极管级联之后的光伏特性,结果表明:在1.57kW/cm2的光照强度下,级联器件的光电压能达到1V,与同样光照条件下单个二极管0.2V左右的光电压相比,级联实现了高效的光电压倍增效应。这种效应使级联器件的光电压信噪比增大并与级联级数的平方根成正比,得到比单个二极管更低的弱光强度探测极限。进一步分析表明,光伏器件在越弱的光照下电压响应率越高,因此通过级联可以提高响应率和探测率,在五个二极管级联时分别达到7.5×105V/W和8.3×107cmHz1/2/W,接近商用红外探测器的灵敏度。另外,碳管阵列二极管的制作过程不涉及掺杂,比传统光伏探测器更容易实现级联,有望实现高灵敏的、快速响应的室温宽谱红外光探测。