碳纳米管薄膜光探测器最新进展

近期，北京大学彭练矛教授、王胜副研究员在清华大学主办的高起点新刊Nano Research Energy上发表题为“Recent Progress of Photodetector based on Carbon Nanotube Film and Application in Optoelectronic Integration”的综述文章，该综述全面介绍了高纯度半导体碳纳米管的提纯和薄膜制备、碳纳米管薄膜红外探测器以及碳纳米管光电集成研究方面的最新进展。

图1 碳纳米管探测器和光电集成

碳纳米管材料由于具有高红外吸收系数（3×10⁵ cm⁻¹）、高迁移率（10⁵ cm² V s⁻¹）、基底适配范围广以及低温加工工艺的特点（＜ 200 ℃）得到了广泛的关注。随着近几年来碳纳米管溶液提纯技术的不断进步，高半导体纯度碳纳米管薄膜的制备技术的日趋成熟为制备大面积，均一的高性能光电器件和逻辑电路等奠定了材料基础，文章梳理了不同半导体碳纳米管提纯技术的特点和最新研究进展。

在碳纳米管薄膜红外探测器性能研究方面，回顾了不同类型的碳纳米管红外探测器研究的代表性工作，总结了不同类型探测器的特点以及最新研究进展，包括热探测器，光电导探测器和光伏探测器等。同时介绍了课题组利用非对称欧姆接触金属制备的无势垒双极性碳纳米管二极管探测器的特点和在此基础上开展的一系列研究工作。

图2 基于碳纳米管的红外探测器的典型机理和器件结构

文章进一步总结了碳纳米管光电集成方面的特点及最新研究进展。碳纳米管薄膜在光电器件和集成电路方面相对传统半导体材料而言具有一定的优势和潜力，其优势如下：

（1）碳纳米管可以同时构建高性能的集成电路，光发射和光探测器件，是理想的光电一体化集成平台；

（2）半导体碳纳米管的带隙可以随手性调节，覆盖短波红外波段；

（3）碳纳米管器件可以采用低温无掺杂的加工工艺，满足三维集成的热预算要求；

（4）碳纳米管是一维半导体，和衬底不存在晶格失配，利于多层堆叠的三维光电集成或者在片光电集成。

三维光电集成或者在片光电集成一方面是可以极大的提升光电子芯片的集成密度；另一方面是可以在片完成信息的收集，存储以及处理。碳纳米管在电子学和光电子学的优势有助于它可以构建光电集成系统。

最后，作者对碳纳米管探测器和光电集成的未来研究方向进行了展望。虽然碳纳米管在已有的红外探测器和光电集成系统中已经展现巨大的优势和潜力，但是在走向应用过程中也存在一定的挑战。包括碳纳米管的半导体纯度控制、薄膜厚度控制、表面聚合物导致掺杂效应以及带来的金属欧姆接触等问题限制了其器件性能的进一步提升。因此较为理想的碳纳米管薄膜需要满足以下要求：

（1）碳纳米管薄膜的半导体纯度需要大于99.9999%，并且薄膜具有很好的均一性；

（2）碳纳米管薄膜具有一定的厚度可控性以保证光吸收效率；

（3）碳纳米管薄膜表面干净，在提纯过程中引入的表面聚合物或者分散剂等杂质可以被有效去除，减小对器件性能的影响；

（4）碳纳米管薄膜的排列具有一定取向性。

改进后的碳纳米管薄膜探测器性能将会进一步提升并且实现高性能的光电集成系统，从而发挥出碳纳米管光电器件和光电集成的优势。

图3 碳纳米管的光电集成系统
责任编辑：彭菁