24、用于光电子应用的石墨烯 FET 和 MESFET

用于光电子应用的石墨烯 FET 和 MESFET

1. 引言

近年来，石墨烯成为了备受关注的研究热点。它拥有诸多优异特性，如良好的机械弹性、高光学透明度、出色的物理/化学稳定性、低薄层电阻以及费米能级的偏置可调性。然而，本征石墨烯缺乏带隙，这限制了它在众多领域的应用。不过，我们可以通过一些方法来调整其带隙，比如对石墨烯进行化学改性、在施加偏置的情况下使用双层石墨烯，或者将石墨烯制成量子点或石墨烯纳米带。

石墨烯在光探测器中既可以充当透明电极，也能作为半导体材料。它由碳原子组成的蜂窝状晶格构成，其能带结构呈现线性色散，本征石墨烯在狄拉克点处带隙为零，远离狄拉克点时，导带和价带呈线性分散。凭借这些优异特性和强大的鲁棒性，石墨烯在恶劣环境中也能发挥作用。此外，虽然石墨烯是二维材料，但通过堆叠多层石墨烯可以使其成为三维材料。

当石墨烯作为透明栅电极时，GaN 和 GaAs 光场效应晶体管（OPFET）中的肖特基结会产生显著的光响应。而且，由于石墨烯具有超快的动力学特性，如短的复合和弛豫时间（皮秒到纳秒）、超高的载流子迁移率（约 10,000 cm²/V s）和高费米速度（约 10⁶ m/s），它能够形成高速光探测器（PD）。同时，石墨烯 PD 还能实现从紫外线（UV）到太赫兹（THz）波长的宽带吸收。

尽管在紫外、可见光、太赫兹和红外波段的独立石墨烯基晶体管光探测器方面已经开展了大量研究，但响应度仅限制在 980 A/W，这限制了其在实际高增益应用中的使用。不过，基于石墨烯场效应晶体管（FET）实现的通信带宽可以从几十吉赫兹到远吉赫兹范围。为了解决这个问题，研究人员采取了以下措施：
- 研究石墨烯 FET 在最佳工作波长（即由光学声子发射引起共振效应的 6.