石墨烯/光波導(dǎo)集成的非對稱場效應(yīng)結(jié)構(gòu)特性研究

朱相宇，張建寰，謝哲欣，劉萬山

(廈門大學(xué)航空航天學(xué)院，福建廈門 361101)

石墨烯是由碳原子sp2雜化形成的二維材料[1]，獨特的零帶隙能帶結(jié)構(gòu)使其具有從可見光到太赫茲波段超寬光譜吸收特性[2]的同時，還具有高達(dá)20000 cm2·V-1·s-1的載流子遷移率。優(yōu)異的光電性能結(jié)合納米尺度的材料結(jié)構(gòu)使石墨烯迅速成為集成光電子器件領(lǐng)域的潛力材料，但垂直入射下僅2.3%的光吸收率極大限制了石墨烯材料的實際應(yīng)用。為提高石墨烯對目標(biāo)光信號的吸收，基于共振腔、量子點、表面等離子體和光波導(dǎo)耦合等方案的石墨烯光電器件被陸續(xù)提出。其中將石墨烯與光波導(dǎo)結(jié)合，通過增大光程提高石墨烯光吸收的方案因與現(xiàn)有CMOS 技術(shù)兼容且保持了石墨烯寬帶吸收的特性得到了廣泛關(guān)注[4]。同時由于石墨烯自身費米能級可通過外部電場進行調(diào)諧，將金屬電極與石墨烯進行接觸并施加電場可以實現(xiàn)對石墨烯光吸收和光生電流的有效調(diào)控[5]。近年來基于石墨烯/光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的光探測器、調(diào)制器和偏振器等均取得了一定成果。

為進一步增強對石墨烯光電特性的調(diào)控，將光波導(dǎo)引入石墨烯場效應(yīng)晶體管(Graphene Field-Effect Transistor，GFET)結(jié)構(gòu)中制備出了石墨烯/光波導(dǎo)結(jié)合的場效應(yīng)器件(Graphene Integrated on Waveguide with FET Structure，GWFET)。利用柵極電場對石墨烯費米能級進行調(diào)控的同時，由源漏電極對石墨烯光生載流子進行收集。相比傳統(tǒng)雙電極石墨烯/光波導(dǎo)器件，該結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)更為靈活的石墨烯調(diào)控。GWFET 器件應(yīng)用過程中需要在保證電學(xué)調(diào)控輸運特性的同時降低對目標(biāo)光信號的損耗，而其中各金屬電極及光波導(dǎo)之間的相對位置對器件性能具有重要影響:一方面，電極與波導(dǎo)距離過近時會對入射光信號產(chǎn)生強烈損耗且無光生載流子貢獻，限制器件光響應(yīng)度，而當(dāng)電極距離波導(dǎo)過遠(yuǎn)時，對光生載流子的收集效率將隨著輸運過程中載流子的復(fù)合大大降低。因此光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的引入往往會對原有GFET 器件電極分布造成影響。同時，當(dāng)GFET 器件電極呈現(xiàn)空間上的非對稱分布結(jié)構(gòu)時，石墨烯材料自身較大的方阻會造成器件溝道電阻分布的明顯差異[13]，進而表現(xiàn)為器件源漏不對稱特性。對引入光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的GWFET 器件而言，該源漏不對稱特性可能造成器件電學(xué)特性的不穩(wěn)定，進而對器件后續(xù)光電轉(zhuǎn)換性能產(chǎn)生影響。但現(xiàn)階段對于引入光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)下非對稱場效應(yīng)器件的輸運性能研究仍然較少。

因此本文從石墨烯/光波導(dǎo)集成器件應(yīng)用角度出發(fā)，設(shè)計并制備了一種具有非對稱類場效應(yīng)結(jié)構(gòu)的GWFET 器件。針對器件場效應(yīng)輸運特性進行測試的同時，首次研究了非對稱電極結(jié)構(gòu)交換源漏電極后的輸運性能差異。同時，制備非對稱GFET 器件進行對比分析實驗，研究了光波導(dǎo)引入對GFET 器件輸運特性的影響。

1 石墨烯/光波導(dǎo)集成場效應(yīng)器件制備

圖1 是所設(shè)計GWFET 器件示意圖，以頂柵GFET為器件基礎(chǔ)引入光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，使用SOI 片進行器件制備。首先利用電子束曝光和干法刻蝕技術(shù)在硅器件層刻蝕出寬500 nm，高220 nm 的單模硅波導(dǎo)。隨后采用原子力沉積技術(shù)在刻蝕波導(dǎo)表面沉積厚度15 nm 的氧化鋁隔離層以避免光傳輸過程中硅波導(dǎo)內(nèi)載流子進入石墨烯。此后由化學(xué)氣相沉積技術(shù)制備的石墨烯經(jīng)PMMA 膠體濕法轉(zhuǎn)移至隔離層表面，利用光刻和氧離子刻蝕技術(shù)完成石墨烯溝道加工(L=20 μm，W=50 μm)。最后使用原子力沉積和磁控濺射技術(shù)分別沉積30 nm 氧化鋁柵極介質(zhì)和金屬電極(Ti/Au，10 nm/40 nm)。考慮到柵極位于波導(dǎo)正上方時會對傳輸?shù)墓庑盘柈a(chǎn)生明顯損耗，且波導(dǎo)寬度較窄對套刻和對準(zhǔn)工藝要求較高，因此將柵極置于波導(dǎo)一側(cè)進行石墨烯調(diào)諧。此外，將源漏電極相對波導(dǎo)非對稱分布以實現(xiàn)光生載流子的有效收集。上述工藝使得該GWFET 器件源漏柵電極表現(xiàn)出空間上的非對稱結(jié)構(gòu)。在圖2 所示的GWFET 器件光學(xué)顯微圖中，電極A 和B 相對于柵極距離分別為2.1 μm 和5.8 μm。

圖1 GWFET 器件結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic of the GWFET device structure

圖2 GWFET 器件光學(xué)顯微圖Fig.2 Optical micrograph of the GWFET device

2 器件輸運特性測試

為分析所設(shè)計GWFET 器件實際性能表現(xiàn)，使用Keithley 4200 半導(dǎo)體參數(shù)分析儀結(jié)合手動探針臺對器件進行場效應(yīng)結(jié)構(gòu)輸運特性測試。器件轉(zhuǎn)移特性測試結(jié)果如圖3 所示，固定源漏電壓Vds=0.1 V，掃描柵極電壓Vg獲得的電流曲線表現(xiàn)出明顯雙極性特性。轉(zhuǎn)移特性曲線約0.25 V 的狄拉克點偏移和較為對稱的曲線形狀表明石墨烯溝道存在輕微p 型摻雜的同時，電子和空穴濃度相近。在不同柵壓Vg下，掃描源漏電壓Vds獲得器件輸出特性曲線如圖4 所示，可以看出隨柵極電壓的改變源漏電流Ids曲線斜率發(fā)生變化，表明柵極電壓對石墨烯溝道載流子遷移率和濃度具有明顯調(diào)諧作用。

圖3 GWFET 器件轉(zhuǎn)移特性曲線Fig.3 Transfer characteristic curve of the GWFET device

圖4 GWFET 器件輸出特性曲線Fig.4 Output characteristic curves of the GWFET device

進一步分析器件源漏電極非對稱分布結(jié)構(gòu)下的輸運特性，在保持電壓條件不變的情況下交換電極A、B 進行轉(zhuǎn)移特性測試并提取器件跨導(dǎo)曲線，結(jié)果分別如圖5、6 所示。可知，相同Vds偏壓下靠近柵極一側(cè)A 電極為漏極時輸運電流IdA大于B 電極作為漏極時電流值IdB，同時A 端為漏極時器件跨導(dǎo)gmA總體上也大于B 端為漏極時的器件跨導(dǎo)gmB。整體而言，靠近柵極一側(cè)A 端為漏極時GWFET 器件的場效應(yīng)輸運性能更為優(yōu)秀，非對稱結(jié)構(gòu)中交換源漏電極前后器件轉(zhuǎn)移特性曲線表現(xiàn)出明顯差異。

圖5 交換源漏極下GWFET 轉(zhuǎn)移特性曲線Fig.5 Transfer characteristic curves of the GWFET device under different drain electrode conditions

圖6 交換源漏極下GWFET 跨導(dǎo)曲線Fig.6 Transconductance curves of the GWFET device under different drain electrode conditions

為研究光波導(dǎo)引入對傳統(tǒng)GFET 器件輸運性能的影響，在上述GWFET 器件測試基礎(chǔ)上，以SiO2/Si 為襯底制備了圖7 所示具有相同石墨烯溝道尺寸的非對稱頂柵GFET 器件，并進行場效應(yīng)特性測試。相同電壓條件下GFET 器件交換源漏極前后轉(zhuǎn)移特性曲線如圖8 所示。可以看出，柵極電壓調(diào)諧下石墨烯依然表現(xiàn)出雙極性輸運特點，同時交換源漏電極前后，器件輸運電流同樣具有明顯差異。值得注意的是，與GWFET 器件相比，GFET 器件整體輸運電流偏低，同時遠(yuǎn)離柵極一側(cè)B 端電極為漏極時，器件表現(xiàn)出了更好的輸運性能。

圖7 非對稱GFET 器件光學(xué)顯微圖Fig.7 Optical micrograph of the GFET device with asymmetrical structure

圖8 非對稱GFET 交換源漏極轉(zhuǎn)移特性曲線Fig.8 Transfer characteristic curves of the GFET device under different drain electrode conditions

根據(jù)兩類器件的輸運特性測試曲線(圖5，8)，其交換源漏極前后的載流子遷移率μ可以由如下模型近似計算得到:

式中:L和W分別為柵極調(diào)控下的石墨烯溝道長度和寬度；gm為跨導(dǎo)；Cox為柵介質(zhì)電容；d為柵介質(zhì)厚度；ε0為真空介電常數(shù)；氧化鋁介電常數(shù)εr取8.9。計算得到GWFET 和GFET 器件在不同情況下的輸運參數(shù)如表1 所示。兩類器件均表現(xiàn)出了由于非對稱電極引起的輸運性能差異，但與GFET 器件相比，引入光波導(dǎo)后的GWFET 器件整體輸運性能明顯上升，同時在交換源漏極前后，GWFET 器件表現(xiàn)出了與GFET 器件相反的輸運性能特點。

表1 兩類器件交換源漏極測試結(jié)果對比Tab.1 Comparision results of the GWFET and GFET devices

3 器件測試結(jié)果分析討論

由基本GFET 器件電學(xué)模型出發(fā)，對兩類器件非對稱場效應(yīng)結(jié)構(gòu)下的輸運性能差異進行分析，在忽略石墨烯與金屬電極接觸電阻差異的情況下非對稱GFET 器件的示意圖如圖9 所示。可以看出非對稱源漏電極分布直接影響柵極兩側(cè)未覆蓋區(qū)域石墨烯溝道阻值RS和RD的相對大小，根據(jù)器件帶源極負(fù)反饋電阻模型[14]，GFET 器件跨導(dǎo)可表示為:

式中:RS為源端電阻；gm0為本征跨導(dǎo)。非對稱電極結(jié)構(gòu)在交換源漏極時電阻RS發(fā)生改變，同時柵極和源極間電壓Vgs改變引起石墨烯溝道載流子調(diào)制濃度差異，進而影響器件本征跨導(dǎo)，引起非對稱GFET 結(jié)構(gòu)下器件輸運特性變化。

圖9 GFET 器件結(jié)構(gòu)示意圖Fig.9 Schematic of the GFET device structure

在非對稱GFET 器件模型的基礎(chǔ)上，GWFET 器件在引入光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)這一工藝過程中改變了器件表面殘余載流子濃度、石墨烯溝道形態(tài)及摻雜情況。

首先，為防止波導(dǎo)與石墨烯直接接觸引入的隔離層造成了石墨烯溝道接觸基底材料的變化。在以SiO2/Si 為基底制備的GFET 器件中，SiO2中存在的帶電雜質(zhì)和電荷陷阱一方面增加了石墨烯載流子輸運過程的庫倫散射，同時使得GFET 器件存在明顯滯回，造成器件遷移率下降[15]。而GWFET 器件中石墨烯溝道接觸基底材料為沉積氧化鋁，相比氧化硅而言結(jié)構(gòu)更為致密，可以有效降低對石墨烯溝道的散射影響。同時石墨烯與不同基底接觸時，其溝道表面殘余載流子濃度差異會直接影響溝道整體阻值，由GFET 器件電阻-柵壓模型:

式中:Rtotal為溝道總電阻；Rcontact為石墨烯金屬接觸電阻；n0和n分別為殘余載流子濃度和柵極電壓調(diào)諧下的載流子濃度；e為元電荷；VDirac為石墨烯狄拉克點。將GWFET 器件轉(zhuǎn)移特性數(shù)據(jù)代入獲得器件電阻與柵壓Vg關(guān)系如圖10 所示。利用上述模型進行擬合，得出GWFET 器件殘余載流子濃度n0為2.8×1011/cm2，相對的，GFET 器件中殘余載流子濃度為1.8×1012/cm2。表明沉積氧化鋁隔離層降低了器件溝道表面殘余載流子濃度，使得GWFET 器件溝道電阻降低，提高了器件輸運電流值。

圖10 GWFET 器件溝道電阻-柵壓曲線Fig.10 Plot showing measured (dot) and modeled (line)resistance vs.gate voltage curve

其次，波導(dǎo)結(jié)構(gòu)引入改變了石墨烯溝道形態(tài)，造成對應(yīng)電勢下溝道的電荷分布差異。GWFET 器件中石墨烯溝道與基底表面非平整接觸，而在波導(dǎo)結(jié)構(gòu)處產(chǎn)生凸起。這一凸起一方面導(dǎo)致石墨烯多次彎曲褶皺，增加了溝道電阻的同時載流子傳輸效率降低；另一方面，由于石墨烯非理想吸附，在波導(dǎo)側(cè)壁附近會出現(xiàn)因貼合不緊密產(chǎn)生具有一定角度的空腔，此時該部分石墨烯相當(dāng)于懸浮狀態(tài)，該狀態(tài)降低了石墨烯因基底接觸產(chǎn)生的散射損失，提高了載流子遷移率。上述因素共同作用下，當(dāng)交換源漏極前后石墨烯溝道電勢分布改變時，溝道內(nèi)感應(yīng)電荷的分布差異會進一步引起輸運電流值的變化。

最后，引入波導(dǎo)結(jié)構(gòu)造成器件中石墨烯溝道摻雜狀態(tài)改變。對于石墨烯材料，其摻雜濃度與所接觸基底材料相關(guān)[18]。金屬電極與石墨烯接觸，在形成接觸電阻的同時會引起接觸區(qū)域石墨烯n 型摻雜[19]，同時石墨烯溝道在工藝及測試過程中通常由于環(huán)境因素會產(chǎn)生p 型摻雜。而GWFET 器件中波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的引入造成石墨烯接觸基底材料發(fā)生改變的同時引入了懸浮石墨烯區(qū)域，因此相對于GFET 器件而言，在波導(dǎo)結(jié)構(gòu)附近形成了具有不同摻雜濃度的pn 結(jié)分布[20]。當(dāng)非對稱GWFET 器件交換源漏極時，上述pn 結(jié)分布差異造成不同電極施加的漏極電壓Vds對器件整體摻雜區(qū)域調(diào)控程度不同，因此GWFET 器件中靠近柵極一側(cè)電極為漏極時表現(xiàn)出了更高的輸運性能。

綜上，GWFET 器件自身結(jié)構(gòu)特點造成的殘余載流子濃度、電荷分布及摻雜特性等差異對其載流子輸運性能具有明顯影響，這一特點也將影響器件光電轉(zhuǎn)換過程中對光生載流子的收集效果。對上述GWFET器件的結(jié)構(gòu)改進可以從波導(dǎo)結(jié)構(gòu)、溝道處理和電極分布等方面進行考慮。條形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)簡單但存在石墨烯附著褶皺和非理想吸附缺陷；采用介質(zhì)回填結(jié)合化學(xué)機械拋光方法構(gòu)造埋入式波導(dǎo)結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)石墨烯溝道形態(tài)平整，但會造成器件工藝難度及成本增加。石墨烯表面覆蓋隔離介質(zhì)可以實現(xiàn)溝道保護，同時降低外部摻雜影響，但可能造成光信號額外損耗。器件電極分布則需要同時考慮對波導(dǎo)內(nèi)光信號傳輸影響及器件載流子的有效調(diào)控收集。如何在保證器件性能的同時降低上述因素引起的器件缺陷和損耗，需要在后續(xù)石墨烯/光波導(dǎo)集成器件中進一步研究解決。

4 結(jié)論

本文制備了一種石墨烯/光波導(dǎo)集成的非對稱GWFET 器件，在測試器件輸運特性的同時，與傳統(tǒng)GFET 器件進行實驗對比，研究引入波導(dǎo)結(jié)構(gòu)對器件性能的影響。測試結(jié)果表明，兩類非對稱器件交換源漏極前后均表現(xiàn)出明顯場效應(yīng)手性，同時波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的引入對傳統(tǒng)GFET 器件殘余載流子分布、石墨烯溝道形態(tài)及器件摻雜均產(chǎn)生影響。具體表現(xiàn)為:(1)隔離層結(jié)構(gòu)降低了基底表面殘余載流子濃度；(2)波導(dǎo)凸起造成的石墨烯溝道褶皺改變了調(diào)諧電場下電勢分布及感應(yīng)電荷濃度；(3)引入波導(dǎo)造成石墨烯溝道表面形成了具有不同濃度及類型的摻雜區(qū)域。上述因素的共同作用影響了器件載流子遷移率，使GWFET 器件具備良好輸運性能的同時，表現(xiàn)出與GFET 器件相反的源漏不對稱特性。該研究結(jié)果對相關(guān)石墨烯/光波導(dǎo)集成的場效應(yīng)結(jié)構(gòu)器件的設(shè)計制備及載流子輸運特性分析提供了有益參考。