石墨烯/光波导集成的非对称场效应结构特性研究

朱相宇，张建寰，谢哲欣，刘万山

(厦门大学航空航天学院，福建厦门 361101)

石墨烯是由碳原子sp2杂化形成的二维材料[1]，独特的零带隙能带结构使其具有从可见光到太赫兹波段超宽光谱吸收特性[2]的同时，还具有高达20000 cm2·V-1·s-1的载流子迁移率。优异的光电性能结合纳米尺度的材料结构使石墨烯迅速成为集成光电子器件领域的潜力材料，但垂直入射下仅2.3%的光吸收率极大限制了石墨烯材料的实际应用。为提高石墨烯对目标光信号的吸收，基于共振腔、量子点、表面等离子体和光波导耦合等方案的石墨烯光电器件被陆续提出。其中将石墨烯与光波导结合，通过增大光程提高石墨烯光吸收的方案因与现有CMOS 技术兼容且保持了石墨烯宽带吸收的特性得到了广泛关注[4]。同时由于石墨烯自身费米能级可通过外部电场进行调谐，将金属电极与石墨烯进行接触并施加电场可以实现对石墨烯光吸收和光生电流的有效调控[5]。近年来基于石墨烯/光波导结构的光探测器、调制器和偏振器等均取得了一定成果。

为进一步增强对石墨烯光电特性的调控，将光波导引入石墨烯场效应晶体管(Graphene Field-Effect Transistor，GFET)结构中制备出了石墨烯/光波导结合的场效应器件(Graphene Integrated on Waveguide with FET Structure，GWFET)。利用栅极电场对石墨烯费米能级进行调控的同时，由源漏电极对石墨烯光生载流子进行收集。相比传统双电极石墨烯/光波导器件，该结构可以实现更为灵活的石墨烯调控。GWFET 器件应用过程中需要在保证电学调控输运特性的同时降低对目标光信号的损耗，而其中各金属电极及光波导之间的相对位置对器件性能具有重要影响:一方面，电极与波导距离过近时会对入射光信号产生强烈损耗且无光生载流子贡献，限制器件光响应度，而当电极距离波导过远时，对光生载流子的收集效率将随着输运过程中载流子的复合大大降低。因此光波导结构的引入往往会对原有GFET 器件电极分布造成影响。同时，当GFET 器件电极呈现空间上的非对称分布结构时，石墨烯材料自身较大的方阻会造成器件沟道电阻分布的明显差异[13]，进而表现为器件源漏不对称特性。对引入光波导结构的GWFET 器件而言，该源漏不对称特性可能造成器件电学特性的不稳定，进而对器件后续光电转换性能产生影响。但现阶段对于引入光波导结构下非对称场效应器件的输运性能研究仍然较少。

因此本文从石墨烯/光波导集成器件应用角度出发，设计并制备了一种具有非对称类场效应结构的GWFET 器件。针对器件场效应输运特性进行测试的同时，首次研究了非对称电极结构交换源漏电极后的输运性能差异。同时，制备非对称GFET 器件进行对比分析实验，研究了光波导引入对GFET 器件输运特性的影响。

1 石墨烯/光波导集成场效应器件制备

图1 是所设计GWFET 器件示意图，以顶栅GFET为器件基础引入光波导结构，使用SOI 片进行器件制备。首先利用电子束曝光和干法刻蚀技术在硅器件层刻蚀出宽500 nm，高220 nm 的单模硅波导。随后采用原子力沉积技术在刻蚀波导表面沉积厚度15 nm 的氧化铝隔离层以避免光传输过程中硅波导内载流子进入石墨烯。此后由化学气相沉积技术制备的石墨烯经PMMA 胶体湿法转移至隔离层表面，利用光刻和氧离子刻蚀技术完成石墨烯沟道加工(L=20 μm，W=50 μm)。最后使用原子力沉积和磁控溅射技术分别沉积30 nm 氧化铝栅极介质和金属电极(Ti/Au，10 nm/40 nm)。考虑到栅极位于波导正上方时会对传输的光信号产生明显损耗，且波导宽度较窄对套刻和对准工艺要求较高，因此将栅极置于波导一侧进行石墨烯调谐。此外，将源漏电极相对波导非对称分布以实现光生载流子的有效收集。上述工艺使得该GWFET 器件源漏栅电极表现出空间上的非对称结构。在图2 所示的GWFET 器件光学显微图中，电极A 和B 相对于栅极距离分别为2.1 μm 和5.8 μm。

图1 GWFET 器件结构示意图Fig.1 Schematic of the GWFET device structure

图2 GWFET 器件光学显微图Fig.2 Optical micrograph of the GWFET device

2 器件输运特性测试

为分析所设计GWFET 器件实际性能表现，使用Keithley 4200 半导体参数分析仪结合手动探针台对器件进行场效应结构输运特性测试。器件转移特性测试结果如图3 所示，固定源漏电压Vds=0.1 V，扫描栅极电压Vg获得的电流曲线表现出明显双极性特性。转移特性曲线约0.25 V 的狄拉克点偏移和较为对称的曲线形状表明石墨烯沟道存在轻微p 型掺杂的同时，电子和空穴浓度相近。在不同栅压Vg下，扫描源漏电压Vds获得器件输出特性曲线如图4 所示，可以看出随栅极电压的改变源漏电流Ids曲线斜率发生变化，表明栅极电压对石墨烯沟道载流子迁移率和浓度具有明显调谐作用。

图3 GWFET 器件转移特性曲线Fig.3 Transfer characteristic curve of the GWFET device

图4 GWFET 器件输出特性曲线Fig.4 Output characteristic curves of the GWFET device

进一步分析器件源漏电极非对称分布结构下的输运特性，在保持电压条件不变的情况下交换电极A、B 进行转移特性测试并提取器件跨导曲线，结果分别如图5、6 所示。可知，相同Vds偏压下靠近栅极一侧A 电极为漏极时输运电流IdA大于B 电极作为漏极时电流值IdB，同时A 端为漏极时器件跨导gmA总体上也大于B 端为漏极时的器件跨导gmB。整体而言，靠近栅极一侧A 端为漏极时GWFET 器件的场效应输运性能更为优秀，非对称结构中交换源漏电极前后器件转移特性曲线表现出明显差异。

图5 交换源漏极下GWFET 转移特性曲线Fig.5 Transfer characteristic curves of the GWFET device under different drain electrode conditions

图6 交换源漏极下GWFET 跨导曲线Fig.6 Transconductance curves of the GWFET device under different drain electrode conditions

为研究光波导引入对传统GFET 器件输运性能的影响，在上述GWFET 器件测试基础上，以SiO2/Si 为衬底制备了图7 所示具有相同石墨烯沟道尺寸的非对称顶栅GFET 器件，并进行场效应特性测试。相同电压条件下GFET 器件交换源漏极前后转移特性曲线如图8 所示。可以看出，栅极电压调谐下石墨烯依然表现出双极性输运特点，同时交换源漏电极前后，器件输运电流同样具有明显差异。值得注意的是，与GWFET 器件相比，GFET 器件整体输运电流偏低，同时远离栅极一侧B 端电极为漏极时，器件表现出了更好的输运性能。

图7 非对称GFET 器件光学显微图Fig.7 Optical micrograph of the GFET device with asymmetrical structure

图8 非对称GFET 交换源漏极转移特性曲线Fig.8 Transfer characteristic curves of the GFET device under different drain electrode conditions

根据两类器件的输运特性测试曲线(图5，8)，其交换源漏极前后的载流子迁移率μ可以由如下模型近似计算得到:

式中:L和W分别为栅极调控下的石墨烯沟道长度和宽度；gm为跨导；Cox为栅介质电容；d为栅介质厚度；ε0为真空介电常数；氧化铝介电常数εr取8.9。计算得到GWFET 和GFET 器件在不同情况下的输运参数如表1 所示。两类器件均表现出了由于非对称电极引起的输运性能差异，但与GFET 器件相比，引入光波导后的GWFET 器件整体输运性能明显上升，同时在交换源漏极前后，GWFET 器件表现出了与GFET 器件相反的输运性能特点。

表1 两类器件交换源漏极测试结果对比Tab.1 Comparision results of the GWFET and GFET devices

3 器件测试结果分析讨论

由基本GFET 器件电学模型出发，对两类器件非对称场效应结构下的输运性能差异进行分析，在忽略石墨烯与金属电极接触电阻差异的情况下非对称GFET 器件的示意图如图9 所示。可以看出非对称源漏电极分布直接影响栅极两侧未覆盖区域石墨烯沟道阻值RS和RD的相对大小，根据器件带源极负反馈电阻模型[14]，GFET 器件跨导可表示为:

式中:RS为源端电阻；gm0为本征跨导。非对称电极结构在交换源漏极时电阻RS发生改变，同时栅极和源极间电压Vgs改变引起石墨烯沟道载流子调制浓度差异，进而影响器件本征跨导，引起非对称GFET 结构下器件输运特性变化。

图9 GFET 器件结构示意图Fig.9 Schematic of the GFET device structure

在非对称GFET 器件模型的基础上，GWFET 器件在引入光波导结构这一工艺过程中改变了器件表面残余载流子浓度、石墨烯沟道形态及掺杂情况。

首先，为防止波导与石墨烯直接接触引入的隔离层造成了石墨烯沟道接触基底材料的变化。在以SiO2/Si 为基底制备的GFET 器件中，SiO2中存在的带电杂质和电荷陷阱一方面增加了石墨烯载流子输运过程的库伦散射，同时使得GFET 器件存在明显滞回，造成器件迁移率下降[15]。而GWFET 器件中石墨烯沟道接触基底材料为沉积氧化铝，相比氧化硅而言结构更为致密，可以有效降低对石墨烯沟道的散射影响。同时石墨烯与不同基底接触时，其沟道表面残余载流子浓度差异会直接影响沟道整体阻值，由GFET 器件电阻-栅压模型:

式中:Rtotal为沟道总电阻；Rcontact为石墨烯金属接触电阻；n0和n分别为残余载流子浓度和栅极电压调谐下的载流子浓度；e为元电荷；VDirac为石墨烯狄拉克点。将GWFET 器件转移特性数据代入获得器件电阻与栅压Vg关系如图10 所示。利用上述模型进行拟合，得出GWFET 器件残余载流子浓度n0为2.8×1011/cm2，相对的，GFET 器件中残余载流子浓度为1.8×1012/cm2。表明沉积氧化铝隔离层降低了器件沟道表面残余载流子浓度，使得GWFET 器件沟道电阻降低，提高了器件输运电流值。

图10 GWFET 器件沟道电阻-栅压曲线Fig.10 Plot showing measured (dot) and modeled (line)resistance vs.gate voltage curve

其次，波导结构引入改变了石墨烯沟道形态，造成对应电势下沟道的电荷分布差异。GWFET 器件中石墨烯沟道与基底表面非平整接触，而在波导结构处产生凸起。这一凸起一方面导致石墨烯多次弯曲褶皱，增加了沟道电阻的同时载流子传输效率降低；另一方面，由于石墨烯非理想吸附，在波导侧壁附近会出现因贴合不紧密产生具有一定角度的空腔，此时该部分石墨烯相当于悬浮状态，该状态降低了石墨烯因基底接触产生的散射损失，提高了载流子迁移率。上述因素共同作用下，当交换源漏极前后石墨烯沟道电势分布改变时，沟道内感应电荷的分布差异会进一步引起输运电流值的变化。

最后，引入波导结构造成器件中石墨烯沟道掺杂状态改变。对于石墨烯材料，其掺杂浓度与所接触基底材料相关[18]。金属电极与石墨烯接触，在形成接触电阻的同时会引起接触区域石墨烯n 型掺杂[19]，同时石墨烯沟道在工艺及测试过程中通常由于环境因素会产生p 型掺杂。而GWFET 器件中波导结构的引入造成石墨烯接触基底材料发生改变的同时引入了悬浮石墨烯区域，因此相对于GFET 器件而言，在波导结构附近形成了具有不同掺杂浓度的pn 结分布[20]。当非对称GWFET 器件交换源漏极时，上述pn 结分布差异造成不同电极施加的漏极电压Vds对器件整体掺杂区域调控程度不同，因此GWFET 器件中靠近栅极一侧电极为漏极时表现出了更高的输运性能。

综上，GWFET 器件自身结构特点造成的残余载流子浓度、电荷分布及掺杂特性等差异对其载流子输运性能具有明显影响，这一特点也将影响器件光电转换过程中对光生载流子的收集效果。对上述GWFET器件的结构改进可以从波导结构、沟道处理和电极分布等方面进行考虑。条形波导结构简单但存在石墨烯附着褶皱和非理想吸附缺陷；采用介质回填结合化学机械抛光方法构造埋入式波导结构可以实现石墨烯沟道形态平整，但会造成器件工艺难度及成本增加。石墨烯表面覆盖隔离介质可以实现沟道保护，同时降低外部掺杂影响，但可能造成光信号额外损耗。器件电极分布则需要同时考虑对波导内光信号传输影响及器件载流子的有效调控收集。如何在保证器件性能的同时降低上述因素引起的器件缺陷和损耗，需要在后续石墨烯/光波导集成器件中进一步研究解决。

4 结论

本文制备了一种石墨烯/光波导集成的非对称GWFET 器件，在测试器件输运特性的同时，与传统GFET 器件进行实验对比，研究引入波导结构对器件性能的影响。测试结果表明，两类非对称器件交换源漏极前后均表现出明显场效应手性，同时波导结构的引入对传统GFET 器件残余载流子分布、石墨烯沟道形态及器件掺杂均产生影响。具体表现为:(1)隔离层结构降低了基底表面残余载流子浓度；(2)波导凸起造成的石墨烯沟道褶皱改变了调谐电场下电势分布及感应电荷浓度；(3)引入波导造成石墨烯沟道表面形成了具有不同浓度及类型的掺杂区域。上述因素的共同作用影响了器件载流子迁移率，使GWFET 器件具备良好输运性能的同时，表现出与GFET 器件相反的源漏不对称特性。该研究结果对相关石墨烯/光波导集成的场效应结构器件的设计制备及载流子输运特性分析提供了有益参考。