南京大学王欣然Nano lett.：异质结吸光层优化石墨烯光电晶体管

【引言】

石墨烯具有宽频带、光吸收系数可控以及高载流子迁移率等特点，因此，其在高速光电子领域是一种具有巨大潜力的材料。但是，在可见光和近红外波段，石墨烯的光吸收系数较低(低于2.3%)。为提高光电晶体管的灵敏度，可以将石墨烯和光敏半导体进行复合。在该类复合器件中，电子空穴对在光敏半导体中产生后，会在界面处分离，最后由石墨烯进行收集以产生光电流。然而，该类器件往往会陷入光响应度和响应时间之间的矛盾。另外，由于缺少内部电场，由单层吸光层组成的石墨烯复合光电晶体管会抑制电子空穴对的分离，从而降低了量子效率。

【成果简介】

近日，南京大学王欣然教授和施毅教授(共同通讯作者)等人在Nano Letters上发表题为“Improving the Performance of Graphene Phototransistors Using a Heterostructure as the Light-Absorbing Layer”的文章。该文中，研究者提出了一种通过设计异质结构作为石墨烯基光电晶体管的吸光层来同步改善器件光响应度(R)、响应时间(τ)以及量子效率(QE)的方法。和以往报道中使用外加栅场来促进电荷分离的原理不同，在这种方法中，研究人员在半导体界面上开发了一种本征内置电场。以有机低聚物PTCDA和并五苯为例，研究人员发现石墨烯/PTCDA/并五苯(GPP)光电晶体管的响应度可达10⁵A/W，本征响应时间可降低至28μs，内量子效率(IQE)可达64%。在该体系的复合器件中，R、τ以及QE同时得到了极大的改善，并且复合体系的吸收系数远超三种材料单独作用时的值。研究人员发现，高品质PTCDA/并五苯界面将会促进电荷迁移态(CT)的形成，这将同时促进两种材料中电子空穴对的分离，并且有效提高量子效率。

【图文导读】

图1. GPP光电晶体管的原理图以及制备要点

a.GPP光电晶体管原理示意图。

b.GPP光电晶体管的原子力显微结构图。为了获得足够的清晰度，b图上的器件用PCDTA全部覆盖，并用并五苯部分覆盖。比例尺：2μm。

c.GPP光电晶体管的能带示意图。

d.h-BN/PTCDA样品在并五苯生长前后的PL图谱(左侧图样品为生长前，中间图样品为生长后)。比例尺：5μm。虚线圈出了样品区域，矩形实线内的红色区域为未覆盖并五苯的样品区域，该区域在原子力显微镜的右侧图上，因此可见明亮的PL图谱。比例尺：2μm。

e.部分区域覆盖PCTDA和并五苯的石墨烯器件的AFM图(顶部图)和SKPM图(较低层图)。比例尺：2μm。

f.图e中沿虚线部分对应的高度和表面电位，PCDTA的厚度小于3.4nm，对应的层数为11层，每一层并五苯的厚度小于1.5nm，PCDTA/并五苯的本征电位小于PCDTA/石墨烯的本征电位。

图2. GPP的光敏反应及其控制装置

a.GPP器件及其控制装置的光响应度-波长关系。蓝色圆圈代表GPP器件，PCDTAA和并五苯的平均厚度以及并五苯的覆盖率分别为4nm、1.3L以及82%。灰色方块代表石墨烯/PCDTA控制装置，灰色三角形代表石墨烯/并五苯控制装置。在所有测试过程中，激光能量为100 μW。红色和蓝色阴影区域相应于PCDTA和并五苯对光的吸收。黄色峰为两种吸收光谱的累积和，这与GPP宽频光响应度吻合较好。

b.三种GPP光电晶体管以及石墨烯/PCDTA控制器件中光反应度和激光能量密度之间的关系。PCDTAA和并五苯的平均厚度以及并五苯的覆盖率分别为11.3nm、1.1L以及71%(红色圆圈)、12nm、3L以及93%(蓝色矩形)、19nm、4.5L以及94%(橄榄色菱形)。图a和b上的测试是在V_ds = 0.1 V，V_g − V₀ = −10 V的条件下进行的。

c.左侧图上为GPP器件原子力显微下的物相图，轮廓内部为异质结构区域。右侧图上为器件的光电流图。比例尺：5μm。

图3. GPP光电晶体管的动态反应过程

a.图2(a)中GPP器件的τ-V_g关系。蓝色矩形、绿色三角形以及红色圆圈分别代表495 nm、550 nm以及670nm的激光光照度。

b.550 nm，V_g−V₀=−8V条件下(上图)以及V_g−V₀=10V条件下(下图)的动态反应曲线。实线末尾出呈指数关系。

c.V_g−V₀>0(左图)和V_g−V₀<0(右图)条件下复合过程的能量图。

图4. 量子效率分析

a.550nm激光光照度下GPP光电晶体管的I_ph−V_g特征曲线(蓝色矩形)以及通过参数修正的拟合曲线(红色虚线)。从拟合曲线中可以推导出，EQE小于5%。

b.550nm条件下石墨烯/PTCDA器件以及670nm，500nm以550nm条件下GPP器件的EQE数值分析。内嵌图为500nm条件下，不同的PCDTA厚度时，GPP器件的IQE值。在所有的器件中，当获得良好的信噪比时激光能量会尽可能低。

c.敏化石墨烯光电晶体管和不同半导体复合时器件性能的总结。由单电子无源吸光层敏化的器件由粉色阴影标记。红色虚线圈内为垂直电场器件，蓝色区域表示GPP器件。带宽可由BW=1/2πτ计算。

【小结/展望】

使用异质结构吸光层可以为石墨烯基光电晶体管的性能带来极大的改善。相较于独立吸光半导体，GPP异质结构可以同时为R、τ以及QE带来显著改善。这种性能改善主要是因为内嵌电场的引入，有利于电子空穴对的有效分离。但是，PCDTA/并五苯的复合只是这种设计理念的应用之一。此外，还有很多通过复合有机材料和无机半导体来实现类似的能带排列的实例。这一理念的提出将为高性能石墨烯基光电子器件的设计开辟出一条全新的道路。

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

本文由材料人编辑部新人组刘梦玮编译，赵飞龙审核，点我加入材料人编辑部。

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