1、光電集成系統(tǒng)是現代光纖通信的基礎,也是構建微納米尺度高速光互連的基本要素。遠距離、低損耗的通信要求其光學元件可以工作于紅外波段(1.55μm);隨著光纖網絡建設的推進,大規(guī)模工業(yè)生產要求光學器件與電子器件加工工藝相兼容。硅基材料作為當前集成電路的主流材料,受限于間接帶隙的能帶特征,其光電轉換效率低,不適用于構建高效光電器件,如何進一步構建高效并與硅基集成電路匹配的光電器件成為當前光電器件和光電集成的重要研究課題。目前,雖然光電材料種類繁

2、多,但多數光響應為可見波段,且室溫下的響應度低,而更重要的一點是大多數光電器件的工藝與硅基電路不匹配,導致制備過程繁瑣、成本高昂,難以實現規(guī)?；a,因此構建高速光纖通信所必需的單片光電集成回路仍是一大挑戰(zhàn)。單壁碳納米管作為典型的一維納米材料,具有優(yōu)異的電學和光學性能,在納米電子學和納米光電子學等研究領域中備受矚目。經過近二十年的發(fā)展,碳納米管集成電路已初具規(guī)模。而直接帶隙且隨直徑可調的特征,使其的光響應范圍可覆蓋至中紅外波段;另外其優(yōu)

3、異的光吸收能力和光響應速度(ps量級)等,在紅外光電子學方面具有巨大潛力。
　　本文選擇碳納米管作為構筑紅外光電器件的關鍵材料,在非對稱接觸碳納米管二極管的基礎上,圍繞著高性能碳納米管光電器件與光電集成的主題,考察了高性能碳納米管探測器的優(yōu)化與實現,首次實現了碳管高效級聯(lián)光伏器件,通過引入碳管陣列薄膜材料,提升了碳管紅外探測器的性能,并探索了碳納米管的光電集成,取得了以下成果:
　　(1)碳納米管光伏器件性能優(yōu)化。到目前為止

4、報道的碳納米管光電器件大部分是基于化學摻雜,晶體管或分離柵的結構。這些結構存在穩(wěn)定性差、制備工藝復雜或者功耗高等缺點?；诜菍ΨQ接觸的二極管結構可以有效克服以上問題,同時器件結構簡單,性能優(yōu)良。本文中,我們進一步研究了溝道長度對非對稱結構二極管性能的影響。通過對無光照和有光照時的二極管的輸出特性進行考察,發(fā)現對于特定直徑的碳納米管,存在一個特征的溝道長度,能夠最大程度地抑制隧穿電流和串聯(lián)電阻的影響,從而實現高性能的光電二極管。實驗結果表

5、明,經過優(yōu)化后的二極管光電轉化效率為0.11％,考慮碳納米管的有效吸收面積和碳原子的吸收截面后,內量子轉化效率約為57%。
　　(2)首次實現了碳管高效級聯(lián)光伏器件。經過優(yōu)化后的非對稱接觸二極管輸出的光電流和光電壓仍不能滿足實際的要求,需要進一步優(yōu)化設計,以求實現大信號輸出。我們在經過優(yōu)化的非對稱無勢壘二極管中創(chuàng)造性的引入了虛電極-Pd/Sc電極對,在很小的尺度范圍內,無需任何摻雜,且不增加工藝步驟即可實現高效的光電壓倍增。實驗中

6、,我們在10μm長的碳管上,得到1.0 V的光電壓。其中引入的虛電極一方面為載流子的輸運提供了一條通道,另一方面利用不同功函數金屬電極與碳管導帶和價帶的選擇性接觸,在無需摻雜的情況下實現電壓倍增。引入虛電極的級聯(lián)光電二極管結構簡單,性能穩(wěn)定且高效。
　　(3)引入碳管陣列薄膜材料,發(fā)展了高效碳納米管薄膜級聯(lián)紅外探測器。碳管陣列薄膜光電二極管,可以有效提高光電器件的輸出光電流;而級聯(lián)結構可以有效提高器件的信噪比。將級聯(lián)結構和碳管陣列

7、薄膜相結合,即可在室溫下得到大電流輸出和高信噪比的碳納米管紅外探測器。若半導體碳管陣列的密度為每微米100~200根,單級非對稱二極管的探測率高達109 cmHz1/2/W。進一步引入五級級聯(lián)結構后,提高了器件的信噪比,在15μm長的區(qū)域內構建了高敏的級聯(lián)碳管陣列薄膜紅外光探測器。
　　(4)初步探索了基于碳納米管的電子-光電子集成回路,為實現高速光通信奠定了基礎。我們發(fā)展的碳納米管非對稱級聯(lián)結構光電器件的制備工藝完全與我們實驗室

8、先前發(fā)展的無摻雜制備碳納米管電子集成電路工藝兼容。通過采用對稱電極Pd或者Sc即可實現高性能碳納米管電子器件和電路,而采用非對稱電極則可實現高性能光電器件,電子和光電器件尺度相當,因此有望使用非常簡單的工藝在同一根碳納米管中實現電子和光電子器件的完美集成。作為演示,本論文展示了級聯(lián)結構碳納米管紅外探測器輸出的倍增光電壓信號驅動n-FET,p-FET和CMOS的實驗,實現了碳納米管紅外探測器與集成電路的集成,并進一步的理論分析了碳納米管光