SiC上具有微米级石墨烯的光电晶体管中的位置相关和毫米范围光电检测 *
1. 概述
石墨烯非凡的光学和电子性能使其成为高性能光电探测器的一个有前途的部件。然而，在迄今为止证明的典型的基于石墨烯的光电探测器中，光响应仅来自石墨烯附近的特定位置，其面积远小于器件尺寸。对于许多光电子器件应用，希望在更大的面积上获得光响应和位置灵敏度。本研究，通过扫描聚焦激光束在碳化硅（SiC）衬底上的背栅石墨烯场效应晶体管（GFET）中的光响应的空间依赖性。即使SiC衬底在距离石墨烯大于500µm的距离处被照射，背栅石墨烯场效应晶体管也显示出非局部光响应。光响应性和光电流可以根据照明位置变化一个以上的数量级。观察结果用基于衬底中光激发载流子电荷传输的数值模型进行解释。
2. 样品制备
以高度有序的热解石墨（HOPG）为原料，通过微机械剥离制备了单层石墨烯。通过聚合物辅助转移方法将石墨烯转移到厚度为416µm的6H-SiC衬底（来自中芯晶研，电阻率≥1×105Ω·cm）上。使用电子束光刻，然后沉积5nm Cr和65nm Au，制备石墨烯的源极和漏极电触点。电极定义的通道长约2μm，宽约4μm。最后，将Cr（5nm）/Au（65nm）沉积在SiC的背面上以形成背栅接触。
图1 石墨烯光电晶体管和栅极电压可调光电流：
a. 石墨烯场效应晶体管（GFET）以及用于表征器件的电连接的示意图 （注：undoped semiconductor (SiC)含微量掺杂）
b. 位置相关光响应测量设置示意图；
c. 激光照射在器件上的位置（红色圆圈）（在石墨烯上和在远离石墨烯的SiC衬底上），其中X表示照射位置与石墨烯通道中心的距离；
d. 在石墨烯（X=0µm）上没有和有激光（λ=532 nm）照射的情况下，在75 mV的漏极-源极电压（Vds）下，漏电极电流对GFET背栅电压（Ids–Vg）的依赖性。设备上的入射激光功率为5µW，束斑大小为～6μm。插图（右）：光响应率R作为照明位置X=0µm的Vg的函数。设备的最大光响应率为~18 A W–1。插图（左）：制作的GFET的光学图像（比例尺，4µm）；
e. 在Vg=30V（对于石墨烯上的激光照射，X=0µm）下，GFET石墨烯正下方的电场e（用COMSOL Multiphysics计算）与P的函数关系图。插图：对于P=0.1µW，衬底（比例尺，100µm）中电势和电场线的代表性模拟。
3. 结论
研究证明，石墨烯场效应晶体管中的光响应允许非局部、位置敏感和大面积的光检测。器件的光响应特性可以通过简单地改变与石墨烯的照明距离来控制。该器件显示出显著的光响应性，即使当光从石墨烯通道入射到500µm处P=5µW时也是如此。预计，如果增加照明功率，该器件将在更大的距离（厘米级）内显示出光响应。
相比之下，以前所有的石墨烯光电探测器都是基于局部检测的，其中照明发生在石墨烯上或非常靠近石墨烯。因此，它们在如此大的检测区域上不表现出位置灵敏度。我们开发了一个数值模型，解释了场效应光电探测机制和我们器件的位置相关光电流特性的实验观察。相对简单和独特的器件配置（小石墨烯和大SiC衬底的组合）导致位置灵敏度和大的光电检测面积。
此外，该器件具有中等高的光响应性（高于标准石墨烯光电探测器，但低于一些石墨烯-纳米材料混合探测器），满足大多数实际应用所需的光响应（~1AW–1）。预计，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、降低激光功率等），可以进一步提高光响应性。
另外，研究结果表明光激活场效应机制使在绝缘SiC衬底上具有石墨烯的背栅场效应晶体管成为可能，如果没有照明，它将不会表现出可观察到的场效应。这种方法可以推广到在其他绝缘/宽带隙半导体衬底上使用其他二维材料来制造场效应晶体管，而不需要制造用于顶部栅极的多层结构。使用宽范围的未掺杂半导体衬底，其带隙和其他电光特性不同，将允许检测宽波长范围内的光。这种灵活性对未来石墨烯场效应晶体管基光电探测器在纳米电子学和光电子的应用是非常有意义的。
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