南京大學王欣然Nano lett.：異質結吸光層優化石墨烯光電晶體管

【引言】

石墨烯具有寬頻帶、光吸收系數可控以及高載流子遷移率等特點，因此，其在高速光電子領域是一種具有巨大潛力的材料。但是，在可見光和近紅外波段，石墨烯的光吸收系數較低(低于2.3%)。為提高光電晶體管的靈敏度，可以將石墨烯和光敏半導體進行復合。在該類復合器件中，電子空穴對在光敏半導體中產生后，會在界面處分離，最后由石墨烯進行收集以產生光電流。然而，該類器件往往會陷入光響應度和響應時間之間的矛盾。另外，由于缺少內部電場，由單層吸光層組成的石墨烯復合光電晶體管會抑制電子空穴對的分離，從而降低了量子效率。

【成果簡介】

近日，南京大學王欣然教授和施毅教授(共同通訊作者)等人在Nano Letters上發表題為“Improving the Performance of Graphene Phototransistors Using a Heterostructure as the Light-Absorbing Layer”的文章。該文中，研究者提出了一種通過設計異質結構作為石墨烯基光電晶體管的吸光層來同步改善器件光響應度(R)、響應時間(τ)以及量子效率(QE)的方法。和以往報道中使用外加柵場來促進電荷分離的原理不同，在這種方法中，研究人員在半導體界面上開發了一種本征內置電場。以有機低聚物PTCDA和并五苯為例，研究人員發現石墨烯/PTCDA/并五苯(GPP)光電晶體管的響應度可達10⁵A/W，本征響應時間可降低至28μs，內量子效率(IQE)可達64%。在該體系的復合器件中，R、τ以及QE同時得到了極大的改善，并且復合體系的吸收系數遠超三種材料單獨作用時的值。研究人員發現，高品質PTCDA/并五苯界面將會促進電荷遷移態(CT)的形成，這將同時促進兩種材料中電子空穴對的分離，并且有效提高量子效率。

【圖文導讀】

圖1. GPP光電晶體管的原理圖以及制備要點

a.GPP光電晶體管原理示意圖。

b.GPP光電晶體管的原子力顯微結構圖。為了獲得足夠的清晰度，b圖上的器件用PCDTA全部覆蓋，并用并五苯部分覆蓋。比例尺：2μm。

c.GPP光電晶體管的能帶示意圖。

d.h-BN/PTCDA樣品在并五苯生長前后的PL圖譜(左側圖樣品為生長前，中間圖樣品為生長后)。比例尺：5μm。虛線圈出了樣品區域，矩形實線內的紅色區域為未覆蓋并五苯的樣品區域，該區域在原子力顯微鏡的右側圖上，因此可見明亮的PL圖譜。比例尺：2μm。

e.部分區域覆蓋PCTDA和并五苯的石墨烯器件的AFM圖(頂部圖)和SKPM圖(較低層圖)。比例尺：2μm。

f.圖e中沿虛線部分對應的高度和表面電位，PCDTA的厚度小于3.4nm，對應的層數為11層，每一層并五苯的厚度小于1.5nm，PCDTA/并五苯的本征電位小于PCDTA/石墨烯的本征電位。

圖2. GPP的光敏反應及其控制裝置

a.GPP器件及其控制裝置的光響應度-波長關系。藍色圓圈代表GPP器件，PCDTAA和并五苯的平均厚度以及并五苯的覆蓋率分別為4nm、1.3L以及82%。灰色方塊代表石墨烯/PCDTA控制裝置，灰色三角形代表石墨烯/并五苯控制裝置。在所有測試過程中，激光能量為100 μW。紅色和藍色陰影區域相應于PCDTA和并五苯對光的吸收。黃色峰為兩種吸收光譜的累積和，這與GPP寬頻光響應度吻合較好。

b.三種GPP光電晶體管以及石墨烯/PCDTA控制器件中光反應度和激光能量密度之間的關系。PCDTAA和并五苯的平均厚度以及并五苯的覆蓋率分別為11.3nm、1.1L以及71%(紅色圓圈)、12nm、3L以及93%(藍色矩形)、19nm、4.5L以及94%(橄欖色菱形)。圖a和b上的測試是在V_ds = 0.1 V，V_g ? V₀ = ?10 V的條件下進行的。

c.左側圖上為GPP器件原子力顯微下的物相圖，輪廓內部為異質結構區域。右側圖上為器件的光電流圖。比例尺：5μm。

圖3. GPP光電晶體管的動態反應過程

a.圖2(a)中GPP器件的τ-V_g關系。藍色矩形、綠色三角形以及紅色圓圈分別代表495 nm、550 nm以及670nm的激光光照度。

b.550 nm，V_g?V₀=?8V條件下(上圖)以及V_g?V₀=10V條件下(下圖)的動態反應曲線。實線末尾出呈指數關系。

c.V_g?V₀>0(左圖)和V_g?V₀<0(右圖)條件下復合過程的能量圖。

圖4. 量子效率分析

a.550nm激光光照度下GPP光電晶體管的I_ph?V_g特征曲線(藍色矩形)以及通過參數修正的擬合曲線(紅色虛線)。從擬合曲線中可以推導出，EQE小于5%。

b.550nm條件下石墨烯/PTCDA器件以及670nm，500nm以550nm條件下GPP器件的EQE數值分析。內嵌圖為500nm條件下，不同的PCDTA厚度時，GPP器件的IQE值。在所有的器件中，當獲得良好的信噪比時激光能量會盡可能低。

c.敏化石墨烯光電晶體管和不同半導體復合時器件性能的總結。由單電子無源吸光層敏化的器件由粉色陰影標記。紅色虛線圈內為垂直電場器件，藍色區域表示GPP器件。帶寬可由BW=1/2πτ計算。

【小結/展望】

使用異質結構吸光層可以為石墨烯基光電晶體管的性能帶來極大的改善。相較于獨立吸光半導體，GPP異質結構可以同時為R、τ以及QE帶來顯著改善。這種性能改善主要是因為內嵌電場的引入，有利于電子空穴對的有效分離。但是，PCDTA/并五苯的復合只是這種設計理念的應用之一。此外，還有很多通過復合有機材料和無機半導體來實現類似的能帶排列的實例。這一理念的提出將為高性能石墨烯基光電子器件的設計開辟出一條全新的道路。

文獻鏈接：Improving the Performance of Graphene Phototransistors Using a Heterostructure as the Light-Absorbing Layer (Nano Letters，2017，DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b03263)

本文由材料人編輯部新人組劉夢瑋編譯，趙飛龍審核，點我加入材料人編輯部。

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