非掺杂半导体衬底上的栅极可调谐高响应率石墨烯光电晶体管（6H-SiC)*

1. 概述

        由于其高电荷载流子迁移率、宽带光吸收和超快载流子动力学，石墨烯是开发高性能光电探测器的一种很有前途的材料。迄今为止，基于石墨烯的光电探测器已被证明使用单层石墨烯与金属或半导体协同工作。大多数石墨烯器件是在掺杂的硅（Si）衬底上制造的，其中SiO2电介质用于背栅。

        本研究展示了在未掺杂半导体（SiC）衬底上制造的石墨烯场效应光电晶体管的光电检测。光电检测机制依赖于石墨烯导电性对电场的局部变化的高灵敏度，该局部变化可由背栅半导体衬底中产生的光激发电荷载流子引起。对该装置进行了建模，并使用有限元方法模拟了其操作，以验证场诱导光响应机制的存在并研究其特性。该石墨烯光电晶体管具有高达~7.4A/W的室温光响应性，高于大多数实际应用中所需的光响应性（1A/W）。依赖于光功率的光电流和光响应性可以通过源极-漏极偏置电压和背栅电压来调节。基于这种简单通用结构的石墨烯光电晶体管可以通过在各种未掺杂的衬底上沉积石墨烯来制造，并且对于寻求光电检测或辐射检测的许多应用具有吸引力。

2. 样品制备

        单层石墨烯通过微机械剥离方法从高度有序的热解石墨制备，随后转移到未掺杂的6H（Si-faced）SiC衬底（来自中芯晶研，在波长400nm下具有约40/cm的典型吸收系数）上，具体转移过程如下：

        首先，将聚乙烯醇（PVA）溶液以3000rpm涂覆在牺牲基板（此处使用尺寸为2×2cm的Si/SiO2）上45秒，并在90℃的热板上烘烤5分钟。然后将聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）涂覆在PVA膜上，并进行烘烤。单层石墨烯通过微机械剥离技术制备，并转移到聚合物（PMMA+PVA）膜上。然后将含有石墨烯的聚合物膜与牺牲衬底分离，并使用自制的转移台转移到未掺杂的SiC衬底上。最后，将SiC衬底浸入丙酮中数小时以去除PMMA+PVA膜，然后用异丙醇（IPA）冲洗并用氮气吹干。

        随后，使用电子束光刻，然后沉积Cr（5nm）/Au（65nm），制备沟道长度约为2µm、沟道宽度约为2μm的源极-漏极接触。通过在SiC晶片的背面上沉积Cr（5nm）/Au（65nm）来制造背栅接触。

图1 将剥离的单层石墨烯转移到SiC衬底上的工艺示意图

3. 结论

        本研究证明了一种新颖且相对简单的方法，使用在未掺杂SiC衬底上制造的石墨烯光电晶体管进行具有高光响应性的光电检测。基于这种新架构的器件的光响应特性显示出许多明显的优势，包括强双极栅极电压可调谐性、高光电流与暗电流比以及室温下的高光响应性。器件的高光响应性（~7.4A/W）不仅优于大多数其他最新开发的石墨烯光电探测器，而且在大多数实际应用中都高于所需的光响应率（1A/W）。

        预计基于所展示的方法的器件的光响应性可以通过优化制造工艺和测量条件（例如，增加源极-漏极偏置电压）来进一步提高。此外，所提出的方法可以利用广泛的未掺杂半导体（带隙和其他电光特性不同）作为制造光电探测器的衬底。该方法也可以推广到其他“超越石墨烯”2D半导体，如二硫化钼（MoS2），或更高能量的辐射。鉴于我们的方法具有显著的设计灵活性和简单性，这项工作为未来开发基于石墨烯的高性能光电器件提供了有希望的基础。

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