石墨烯納米帶探測器的仿真與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

盛奮華

摘 要： 石墨烯的光學(xué)響應(yīng)極其微弱，制約了它在光電子學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。介紹了石墨烯探測器的基本工作原理，并基于石墨烯材料的帶隙調(diào)控機理建立了石墨烯納米帶探測器結(jié)構(gòu)模型，并進行數(shù)學(xué)模擬仿真，分析了納米帶寬度、I區(qū)長度及偏置電壓對響應(yīng)電流的影響，從而優(yōu)化石墨烯納米帶探測器的結(jié)構(gòu)參數(shù)，為高靈敏度室溫石墨烯探測器的研究奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞： 石墨烯； 石墨烯納米帶； 探測器； 仿真

中圖分類號： TN 304.18 文獻標志碼： A 文章編號： 1671-2153（2015）06-0087-03

0 引 言

隨著電子器件和電子集成電路的微型化發(fā)展，促進了對納米材料及其電子性能的研究。石墨烯具有優(yōu)良的電學(xué)特性[1]、機械性能，使其成為新一代納米電子器件的重要基礎(chǔ)材料，但由于其光學(xué)響應(yīng)極其微弱，制約了它在光電子學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。光電探測器是光電子學(xué)系統(tǒng)中不可缺少的重要部分[2]。本文首先研究了石墨烯材料的帶隙調(diào)控特性，介紹了石墨烯探測器的基本工作原理，并建立石墨烯納米帶探測器結(jié)構(gòu)及數(shù)學(xué)模型，通過采用有限元仿真軟件對石墨烯納米帶探測器的幾何尺寸、偏置電壓、響應(yīng)電流等結(jié)構(gòu)參數(shù)進行仿真與優(yōu)化，從而為高靈敏度室溫石墨烯探測器的研究奠定基礎(chǔ)。

1 工作原理

1.1 石墨烯納米帶隙調(diào)控機理

自從K. S. Novoselov和A. K. Geim突破傳統(tǒng)物理觀念，從實驗室中成功制備出單層且穩(wěn)定的石墨烯之后，這種新型的半導(dǎo)體電子材料引起了學(xué)者們的廣泛關(guān)注。石墨烯作為功能材料，具有較好的發(fā)展優(yōu)勢，但是石墨烯的零帶隙特性卻制約了它在電子器件中大規(guī)模的應(yīng)用。如何對石墨烯帶隙進行有效地調(diào)控以打破石墨烯內(nèi)部的對稱結(jié)構(gòu)，使其變?yōu)榉菍?dǎo)通，是解決這一問題的關(guān)鍵。常用的調(diào)控措施有單軸施壓[3]、摻雜Si或P等雜質(zhì)原子[4]、外加電場等方法。

結(jié)合密度泛函理論和石墨烯納米級帶隙的計算公式[6]，當(dāng)石墨烯納米帶自帶系數(shù)為1時，導(dǎo)帶與價帶之間的帶隙大小表達式為

E=±（+）， （1）

式中：E為能量譜；Vf為石墨烯電子-空穴對的特征速度；P為納米帶電子-空穴動量；L為納米寬度；m為有效質(zhì)量。由此可知，當(dāng)石墨烯處于納米帶時，E不為零，導(dǎo)帶與價帶之間存在有限帶隙，即對石墨烯進行納米帶的剝離法能夠解決石墨烯零帶隙的問題。

1.2 石墨烯探測器的基本工作原理

PN光電二極管是一種結(jié)構(gòu)簡單的光電探測器，其基本原理是當(dāng)PN二極管受到光照且光子能量超過材料禁帶寬度時，價帶電子吸收光子能量而躍遷，產(chǎn)生電子-空穴對，即光伏特效應(yīng)[7]。由于PN二極管的耗盡區(qū)兩側(cè)的電場分布趨于零，載流子擴散速度遠小于通過空間電荷區(qū)的速度，因此影響了電子-空穴向N區(qū)、P區(qū)的漂移速度。為了加快載流子在P區(qū)、N區(qū)的穿越時間從而提高光電轉(zhuǎn)換效率，一方面可以減小P區(qū)和N區(qū)的厚度。另一方面是在P區(qū)和N去之間加入一個高阻本征I區(qū)，形成P-I-N結(jié)構(gòu)以達到擴寬耗盡區(qū)的目的。

2 石墨烯納米帶探測器建模與仿真

2.1 模型建立

結(jié)合P-I-N探測器的基本工作原理分析，本次設(shè)計了如圖2所示的石墨烯納米帶橫向結(jié)構(gòu)模型，以達到提高石墨烯納米帶探測的探測靈敏度的目的。

當(dāng)I區(qū)長度為8 μm，偏置電壓為0.5 V，納米帶寬度分別為100，110，120 nm時，不同納米帶寬度和頻率的光生電流響應(yīng)特征如圖3所示。由圖3可以看出，當(dāng)L=100 nm，入射波頻率f=10 THz時，此時電流響應(yīng)達到最大0.25 μA，光生電子的生產(chǎn)率G約為2.9×1032 m-3/s，隨著納米帶寬度L的增加，入射頻率f減小，相應(yīng)的G也減小，對光生電流的影響就會增大。由圖3中還可以看出，當(dāng)入射頻率處于非響應(yīng)頻帶范圍內(nèi)時，會產(chǎn)生電流，但不會吸收光子能量，此時暗電流非常小，表明石墨烯納米帶探測器能夠減小由熱電子作用所引起的暗電流現(xiàn)象。

當(dāng)L=100 nm，偏置電壓為0.5 V，I區(qū)長度分別為8，10，12 μm時，不同I區(qū)長度的光生電流響應(yīng)特征如圖4所示。圖4中，對應(yīng)的響應(yīng)電流最大值分別為0.184，0.212，0.228 μA。由此可知，隨著I區(qū)長度的增加，空間電子電荷區(qū)面積會增大，光生載流電子渡越時間就變長，產(chǎn)生的光電流強度增大。但當(dāng)I區(qū)長度繼續(xù)增大時，空間電子電荷區(qū)擴大到整個I區(qū)，使載流子的渡越時間增大，導(dǎo)致光生電電流響應(yīng)逐漸變小。

當(dāng)L=100 nm，I區(qū)長度為8 μm，偏置電壓分別為0.5，1，1.5V時，不同偏置電壓的光生電流響應(yīng)特征如圖5所示。由圖5可以看出，隨著偏置電壓的增大，空間電子電荷的面積會增大，光生載流子增多，產(chǎn)生的光生電流強度也會增大，但隨著電壓的持續(xù)增加，產(chǎn)生的載流子數(shù)量趨于飽和，最終光生電流強度會趨于穩(wěn)定狀態(tài)。研究結(jié)果表明，可以通過增大一定范圍內(nèi)的偏置電壓強度來提高探測器的靈敏度。

3 結(jié) 論

本文通過分析納米帶隙調(diào)控特性及P-N探測器的基本工作原理，建立了石墨烯納米帶P-I-N橫向結(jié)構(gòu)探測器模型，并設(shè)定不同的納米帶寬度、I區(qū)長度及偏執(zhí)電壓等參數(shù)，利用有限元數(shù)值方法模擬仿真得出相應(yīng)的光生電流響應(yīng)曲線圖譜。分析結(jié)果表明，石墨烯納米帶探測器能夠減小由熱電子作用所引起的暗電流，且產(chǎn)生的光電電流強度隨納米寬度增大而增大，而隨I區(qū)長度的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，且隨偏執(zhí)電壓的增大呈現(xiàn)先增大后穩(wěn)定的趨勢，依此優(yōu)化石墨烯納米帶探測器的結(jié)構(gòu)參數(shù)，為高靈敏度室溫石墨烯探測器的研究奠定了基礎(chǔ)。

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Abstract： The optical response of graphene is extremely weak， restrict its application in the field of optoelectronics. This paper introduces the basic working principle of the detector based on graphene， graphene materials and energy gap of the regulation mechanism of a graphene nanoribbon detector structure model and mathematical simulation， analysis of the effects of nano belt width、 I length and the bias voltage on the response current， so as to optimize the structure parameters of the graphene nanoribbon detector. To lay the foundation for the research of high sensitivity of graphene at room temperature detector.

Key words： graphene； graphene nanoribbo； detector； simulation

（責(zé)任編輯：徐興華）