Dynamische controle van high-range fotoresponsiviteit in een grafeen nanoribbon fotodetector

Resultaten en discussie

Van GNR's wordt verwacht dat ze een ideale drager zijn voor fotodetectie. De GNR-fotodetector die we hebben gefabriceerd, bestond uit de source- en de drain-elektroden op een Si/SiO₂ substraat met een licht gedoteerde siliciumwafel die als een achterpoort fungeert, zoals schematisch weergegeven in figuur la. Om de hoge mobiliteit te garanderen en tegelijkertijd een voldoende grote bandgap te verkrijgen, werd de breedte van de grafeen-nanoribbons gekozen als een matige 20 nm. De volledige structuur van de GNR's wordt getoond in het rasterelektronenmicroscoopbeeld (figuur 1b), en de lengte van de grafeen-nanoribbons was 2 m. Anders dan de conventionele fotodetectoren, werd het licht gedoteerde Si als substraat gebruikt omdat de levensduur van de drager veel langer is dan die van het zwaar gedoteerde Si [27].

De elektrische karakterisering werd herhaaldelijk uitgevoerd en de daaruit voortvloeiende I-V _{S − D} relatie is uitgezet in figuur 1c. De curven onder verschillende achterpoortspanningen in een bereik van – 10 V tot 10 V zijn niet-lineair en asymmetrisch, wat wijst op het bestaan ​​van het interne elektrische veld, dat het gevolg zou kunnen zijn van de fabricage-geïnduceerde defecten of de Schottky-barrière bij de elektrodencontacten . Het interne elektrische veld had een niet te verwaarlozen effect op de fotostroom van de GNR-fotodetector, die later zal worden geïllustreerd. De inzet is de vergelijking van IV-karakteristieken van het apparaat in het donker en bij verlichting (met een laserpuls met een frequentie van 10 Hz), wat de gevoelige optisch schakelende afstembaarheid manifesteert. Het is duidelijk dat de I-V-curve verschoof als de V _G gevarieerd. Om het effect van V_{G . verder te onderzoeken} op de ladingstransportkarakteristieken van het GNR-kanaal werden de overdrachtskarakteristieken in de donkere toestand geregistreerd bij kamertemperatuur zoals weergegeven in figuur 1d. De gemeten I _D – V _G kromme bij V _SD =10 mV toonde aan dat ons apparaat een typisch gedrag vertoonde van de op grafeen gebaseerde fotodetector, en de GNR's fungeerden als een p-type kanaal met een verschuiving van 20 V.

Voor typische opto-elektronische systemen bepaalt de reactiesnelheid (gekenmerkt door de totale tijd die nodig is om de output te laten stijgen (dalen) van 10 (90)% naar 90 (10)% van de pulspiek) van een fotodetector de loopsnelheid en informatiecapaciteit van het fotodetectiesysteem. Om de uiteindelijke responstijd van het gefabriceerde apparaat te onderzoeken, werd het optische ingangssignaal met verschillende pulsfrequenties van 40 Hz, 400 Hz en 50.000 Hz toegepast. Fig. 2b-d tonen de overeenkomstige in de tijd opgeloste totale fotostromen, die intuïtief aangeven dat de gefabriceerde fotodetector efficiënt kan worden in- en uitgeschakeld met uitstekende herhaalbaarheid. Bovendien, toen de laserfrequentie werd aangepast tot 50.000 Hz, werd de stijgtijd gemeten als 10 s. We zijn van mening dat ons apparaat naar verwachting zal werken bij hogere frequenties boven 50.000 Hz, en de nauwkeurige waarde van de responssnelheid is niet duidelijk vanwege de beperking van de meetapparatuur. Er werd opgemerkt dat de GNR-fotodetector veel sneller werkt dan de meeste fotodetectoren op basis van grafeen en andere 2D TMD's [28,29,30,31]. Er wordt aangenomen dat de snelle fotostroomomschakeling kan worden toegeschreven aan de ultrahoge draaggolfmobiliteit van de GNR's van een dergelijke breedte en het sterke externe elektrische veld.

Naast de hoge responssnelheid zijn een hoge responsiviteit en verbeterde gain onontbeerlijk voor de toepassing van de fotodetector. Daarom hebben we, door licht op het hele apparaat bij kamertemperatuur aan te brengen, de fotorespons van de GNR-fotodetector verder bestudeerd zonder source-drain-bias en back-gate-spanning. Figuur 2a presenteert de tijdafhankelijke fotostroommetingen van het apparaat in afwezigheid van de vooringenomen spanning onder aan-uit-lichtmodulatie. De waargenomen fotostroom was 275 nA(I _verlichting =293 nA, I _donker =18 nA) onder belichting, wat wijst op een hoge fotoresponsiviteit van R =17.2 AW ⁻¹ en een hoge winst van G =1465 ook, berekend via de volgende twee vergelijkingen:

waar ik _P (275 nA) is de fotostroom, terwijl S _L (6,25 mm ² ) en S _G (2 m × 10 μm) zijn respectievelijk het werkelijke gebied van de laser en de GNR, en P (5 mW) is het vermogen van een invallende laser met een golflengte van λ _in (532nm). Het is essentieel om het mechanisme voor het genereren van fotostroom van de GNR-fotodetectoren te onderzoeken om de hoge prestaties van onze apparaten te verduidelijken. Voor fotodetectoren op basis van tweedimensionale materialen zijn er hoofdzakelijk twee mechanismen voor het genereren van fotostroom:het fotogeleidende effect (PC) en het fotovoltaïsche effect (PV) [32].

Zonder een source-drain-bias toe te passen, was PV verantwoordelijk voor de opwekking van fotostroom, aangezien de twee ingebouwde elektrische velden werden gevormd tussen de GNR's en de elektroden. De twee elektrische velden waren niet van dezelfde grootte als gevolg van defecten die tijdens het fabricageproces waren gevormd. Toen het licht het gebied bij de Au-GNRs-interface bereikte, werden de foto-gegenereerde elektron-gat-paren gegenereerd en vervolgens gescheiden door de ingebouwde velden, die een belangrijke bijdrage leverden aan de generatie van fotostroom. Onder een source-drain-bias speelden de twee ingebouwde elektrische velden op de Au-GNRs-interface echter een kleine rol bij het genereren van fotostroom. Daarom speelde pc de meest cruciale rol bij het genereren van fotostroom in het geval van het toepassen van een source-drain-bias. Na het absorberen van fotonen genereerde het GNR-kanaal meer vrije dragers, waardoor de weerstand van de dragerkanalen werd verminderd. Daarom is een significante fotostroom I _P =\( \frac{V_{OC}}{R_G} \)( V _OC staat voor de nullastspanning en R _G is de totale weerstand van het kanaal gevormd door de 16 grafeen nanoribbons) werd waargenomen.

Zoals te zien is in Fig. 2a-d, een μA -niveau fotostroom werd waargenomen, wat te wijten kan zijn aan de bijdrage van drie aspecten. Een daarvan was dat de recombinatiesnelheid van het elektron-gatpaar werd verlaagd als gevolg van de bandgap in de GNR's. De andere was dat de door foto gegenereerde elektronen werden gevangen tijdens de overgang van de valentieband naar de geleidingsband door de midgap-toestanden [33] veroorzaakt door de randdefecten van GNR's. Daarom zouden, voordat de gaten en de gevangen elektronen opnieuw zijn gecombineerd, de gaten tussen de drain-source-elektroden kunnen circuleren om de fotostroom te vormen, waardoor een hoge winst wordt bereikt. Het derde aspect was dat de accumulatie van elektronen aan de SiO₂ /Si-interface was gelijk aan het aanleggen van een verticaal elektrisch veld, en dus werd de geleiding van het kanaal aanzienlijk verbeterd. Verder was in Fig. 2a-d de verkregen fotostroom weinig afhankelijk van de frequentie van invallend licht gemoduleerd door een optische chopper, wat vergelijkbaar is met de gerapporteerde MoS₂ fotodetector [24]. Het fotogeleidende effect speelde de hoofdrol bij het genereren van fotostroom van de GNR-fotodetector toen de lichtfrequentie werd geregeld door de helikopter. Wanneer het apparaat echter werd blootgesteld aan licht (0 Hz), zou het fotogating-effect aanzienlijk zijn in het proces van het genereren van dragers, wat zou leiden tot opsluiting en recombinatie in halfgeleiders.

Het gedetailleerde fysieke proces van het derde aspect dat hierboven is besproken, werd gedemonstreerd in Fig. 2e, f. Om in het donker een evenwichtstoestand te bereiken, zouden elektronen uit SiO₂ . diffunderen naar Si vanwege het verschil in Fermi-niveaus tussen de twee materialen, wat leidde tot buiging van de energieband bij de Si/SiO₂ koppel. Als resultaat werd een sterk ingebouwd elektrisch veld (E) gevormd in het uitputtingsgebied, dat de door foto gegenereerde elektron-gatparen efficiënt scheidde, waarbij de elektronen naar het grensvlak tussen Si en SiO₂ gingen. terwijl de gaten overgaan naar het binnengebied van Si. De elektronen verzamelden zich vervolgens bij de SiO₂ /Si-interface, en deze gevangen elektronen pasten een extra negatieve verticale spanning toe op de GNR's, waar de aanwezigheid van deze elektronen de gatenconcentratie verhoogde en het Fermi-niveau van het GNR-kanaal dienovereenkomstig verlaagde.

Hoewel het apparaat hoge prestaties levert, is het van belang om verschillende effectieve benaderingen te zoeken om de fotostroom en de responsiviteit van het apparaat aanzienlijk te vergroten. Vervolgens werden de effecten van de source-drain bias en gate-spanning op de fotostroom systematisch onderzocht. Figuur 3a toont resultaten van fotostroom (I _laser ), achtergrondstroom (I _donker ), en fotorespons huidige (I _ph ) metingen als functie van de source-drain spanning (− 3 V ≤V _{S − D} ≤ 10 V) bij een vaste poortspanning. De fotostroom was niet nul bij V _{S − D} =0 en nam niet-lineair toe met de source-drain-spanning, wat ook het bestaan ​​van een ingebouwd elektrisch veld aantoont. Het is duidelijk dat de waarde van de fotostroom sterk afhankelijk was van de source-drain bias.

Een overtuigende verklaring voor de afstembaarheid via source-drain-spanning is dat de relatie tussen fotostroom, achtergrondstroom en fotoresponsstroom kan worden uitgedrukt als I _verlichting =Ik _ph + Ik _donker , waar ik _ph en ik _donker verhoogd met drain-source spanning V _{S − D} omdat de driftsnelheid van dragers toenam en de transittijd van de drager afnam onder een extern elektrisch veld [34]. Daarom verbeterde de scheidingsefficiëntie van fotogegenereerde dragers, wat aanzienlijk bijdroeg aan de grote fotostroom. Een dergelijk fenomeen geeft aan dat het totale elektrische veld van het GNR-kanaal, de som van het interne elektrische veld en het externe elektrische veld, kan worden gemoduleerd door V _{S − D} .

Bovendien, rekening houdend met de gate-afstembare draaggolfdichtheid van GNR, werd de fotostroom van ons apparaat effectief aangepast door de back-gate-spanning te moduleren. Figuur 3b toont deze drie soorten stromen (I _verlichting , ik _ph en ik _donker ) als functie van de back-gate spanning (− 5 V ≤ V_G ≤ 5 V) bij V _{S − D} =0. Over het algemeen was de fotostroom positief gecorreleerd met de absolute waarde van de poortspanning, omdat de draaggolfdichtheid van GNR gevoelig was voor het externe verticale elektrische veld. Interessant is dat de fotostroom toenam naarmate de gate-spanning toenam wanneer de gate-spanning negatief was (− 5 V ≤V_G ≤ 0 V), en het tegenovergestelde deed zich voor toen de poortspanning positief was (0 V ≤V_G ≤ 5V). Dit fenomeen zou kunnen worden verklaard door het p-type gedrag van het GNR-kanaal, dat goed overeenkwam met de waarneming in figuur 2d. De resultaten geven aan dat de verhoogde |V_G | kan het Fermi-niveau van het kanaal dichter bij de valentieband (of geleidingsband) afstemmen en de geleiding van het GNR-kanaal was gate-afstembaar. Met name voor beide modulatiemethoden (source-drain-spanning en back-gate-spanning) werd de afstembaarheid van de fotostroom aangetoond in een ultrabreed bereik van nA-niveau tot μA-niveau.

Bovendien kunnen de responsiviteit en versterking ook efficiënt worden gemoduleerd door de gate-spanning en de source-drain-spanning van de GNR-fotodetector te regelen. De afhankelijkheid van versterking en fotoresponsiviteit van de source-drain-bias werd berekend [volgens Vgl. (1) en (2)] en vervolgens uitgezet in Fig. 4a, b. Voor de fotodetector op basis van GNR's, de relatie tussen de versterking en V _{S − D} wordt gegeven door de volgende formule:

waar τ is de overtollige levensduur van het gat (levensduur ingesloten gat), en τ _T = l ² /(μV _{S − D} ) is de transittijd van de vervoerder, terwijl l is de lengte van het kanaal en μ is de vervoerdermobiliteit, terwijl V _{S − D} is de source-drain bias. Vandaar dat de versterking en de source-drain-spanning een positieve correlatie vertonen. Blijkbaar, G is lineair afhankelijk van de source-drain bias. Als gevolg hiervan is de maximale fotoresponsiviteit van R =170 AW ⁻¹ en de maximale winst van G =14.500 werden bereikt bij kamertemperatuur bij V _{S − D} =0,5 V, wat een 100-voudige verbetering was ten opzichte van eerdere op grafeen-nanostructuur gebaseerde fotodetectoren [26, 35, 36]. Wat nog belangrijker is, de waarden van versterking en fotoresponsiviteit waren niet verzadigd. Bijgevolg zou een hogere versterking en fotoresponsiviteit kunnen worden bereikt als een grotere afvoer-bronspanning zou worden toegepast.

Figuur 4c, d laat zien dat de fotoresponsiviteit en versterking ook kunnen worden verbeterd door een back-gate-bias toe te passen om de dragerconcentratie van de GNR's te verbeteren. De maximale fotoresponsiviteit van R =800 AW ⁻¹ en de maximale winst van G =22400 werden verkregen bij V_G =- 4 V. Deze maximale waarde van fotoresponsiviteit was vijf orden van grootte hoger dan die van pure grafeen-fotodetectoren (~ 10 mAW ⁻¹ ) [37]. Bovendien waren zowel versterking als fotoresponsiviteit niet verzadigd, daarom kon een hogere fotoresponsiviteit worden bereikt door een grotere back-gate-spanning toe te passen. Naast de draaggolfconcentratie was een andere factor die de kanaalstroom significant beïnvloedde de contactweerstand (R _C ) tussen de Au-elektroden en de GNR's die onlosmakelijk verbonden was met de Schottky-barrièrehoogte op het grensvlak [34]. Aangezien de GNR's dienden als een p-type kanaal, bij het toepassen van een negatieve V _G , werd de hoogte van de Schottky-barrière verlaagd door het lagere Fermi-niveau. Wanneer daarentegen de V _G werd verhoogd tot een positieve waarde, de hoogte van de Schottky-barrière werd vergroot en de stroom in het kanaal werd sterk onderdrukt.

Ten slotte wenden we ons tot het tijdsafhankelijkheidsonderzoek van fotostroom onder invallend licht van kracht. Figuur 5a toont tijdsafhankelijke fotostroommetingen onder de verschillende krachten van invallend licht. Deze fotostroom was groot genoeg voor directe meting zonder stroomvoorversterkers of lock-in versterkers, zelfs bij een optisch vermogen op mW-niveau. Figuur 5b plot de fotostroom als een functie van invallend optisch vermogen. De fotostroom had een niet-lineaire relatie met invallend vermogen (I _ph =P ^α , α =0,85). Bij minder licht was de bijdrage van de photogate-stroom dominant en kon het fotogeleidende effect worden genegeerd vanwege een afname van het aantal fotogegenereerde dragers [23]. Bij hogere lichtbelichting werd daarentegen een toenemende stroom waargenomen, wat zou kunnen worden toegeschreven aan het toegenomen aantal fotogegenereerde elektronen (fotogeleidend effect). Bovendien was het apparaat gevoelig voor het invallende licht en de resulterende fotostroom was nauw gerelateerd aan de invallende lichtenergie, wat het enorme potentieel voor optische vermogensmonitor onthulde. Tabel 1 geeft een vergelijking van opto-elektronische parameters in verschillende fotodetectoren.