Dynamische controle van fotodetector-responsiviteit in grafene nanoribbon apparaten

Samenvatting

Grafene is aangetoond als een veelbelovend materiaal voor opto-elektronica en fotodetectorapparaten vanwege zijn ultra-breedband optische absorptie and hoge ladingdrager-mobiliteit. Echter, de integratie met opto-elektronische systemen is beperkt door de nul-bandgat en het gebrek aan een versterkingsmechanisme. Hierin demonstreren we een nieuwe fotodetector gebaseerd op grafene nanoribbons (GNRs) met een aanzienlijk bandgat. Door het vangen van lading aan de interface tussen SiO₂ en licht-gedoteerd silicium, is een ultrahoog versterking van 22.400 verkregen. Onze apparaten tonen een verbeterde fotoresponsiviteit (~ 800 AW⁻¹) terwijl de responssnelheid nog steeds snel is (tot 10 μs). Deze fotoresponsiviteit is ongeveer twee ordes van grootte hoger vergeleken met eerdere grafene-gebaseerde fotodetectoren. De fotodetector vertoont een breed bereik instelbaarheid via bron-drain bias en achtergate-spanning. Ons werk adresseert belangrijke uitdagingen voor fotodetectoren en biedt potentiëel de gewenste weg naar praktische toepassing van grafene-fotodetectoren die extern gemanipuleerd kunnen worden door een elektrisch veld met snelle responstijd en hoge gevoeligheid.

Inleiding

Grafene, een twee-dimensionaal (2D) gelaagd materiaal, speelt een belangrijke rol in veel velden inclusief electrodialyse, batterijen, nanofiltratie, katalyse, elektromagnetische interferentie en opto-elektronica. Significantly heeft grafene veel aandacht getrokken vanwege de nieuwe opto-elektronische eigenschappen, zoals hoge ladingdrager-mobiliteit, nul-bandgat, en afstelbaar Ferminiveau. Daarom wordt grafene beschouwd als een aantrekkelijk materiaal voor opto-elektronische toepassingen. Echter, de lage absorptie (~2,3%) van de monolaag grafene als gevolg van de dunne dikte is nog steeds een kritieke uitdaging. Aan de andere kant beperkt de nul-bandgat kenmerk de opto-elektronische toepassingen ernstig, wat een korte fotogegenereerde ladingslevensduur (~ps) veroorzaakt en resulteert in snelle elektronen-gaten recombinatie. Als gevolg blijft verdere verbetering van de responsiviteit van de zuivere grafene-fotodetector uitdagend, en is het van betekenis om elektronen en gaten te scheiden om een efficiënte fotostroom te genereren.

Om deze uitdagingen te overwinnen, zijn diverse technieken verkend en de fotoresponsiviteit van fotodetectoren gebaseerd op grafene is dienovereenkomstig verbeterd. Fotogating-effect, wat meestal waargenomen wordt in fotodetectoren gebaseerd op laag-dimensionale materialen en hun hybride structuren, speelt een essentiële rol in de hoge prestaties van fotodetectoren. Fotodetectoren gebaseerd op MoTe₂ en MoS₂ met behulp van fotogating-effect zijn gerapporteerd, en fotodetectoren met uitstekende prestaties gebaseerd op grafene die fotogating-effect gebruiken, zijn ook bereikt. Het is aangetoond dat combineren van grafene en PbS kwantumdeeltjes een effectieve manier was om lichtabsorptie te verbeteren en een ultrahoog versterking in een grafene-fotodetector te bereiken. Bovendien kon de recombinatie van elektronen en gaten ook geminimaliseerd worden in een fotodetector gebaseerd op heterostructuren, zoals grafene-Ta₂O₅-grafene, waar de fotogegenereerde elektronen-gaten paren gescheiden werden via kwantumtunneling-effecten, wat leidde tot grote verbetering van fotoresponsiviteit en versterking. De responstijd van zo'n hybride-structuur fotodetector werd echter ernstig verhoogd als gevolg van de lange vangtijd van de ladingen in PbS kwantumdeeltjes of in Ta₂O₅ tunnelbarrière. Dus is het hoogst gewenst voor grafene-gebaseerde fotodetector om uitstekende prestaties in responsiviteit, responstijd en spectrale respons te bereiken.

Hier stellen we een fotodetector voor gebaseerd op 20-nm-brede grafene nanoribbons en demonstreren de fotoresponsiviteit (tot 800 AW⁻¹) en snelle responssnelheid (~10 μs). Zo'n hoge prestaties wordt voornamelijk toegeschreven aan het aanzienlijke bandgat in GNRs, verbeterd door het fotogating-effect aan de silicium/silicium-oxide (Si/SiO₂) interface. Het fysieke mechanisme van de detector werd uitgelegd door energie-banddiagrammen. Verder kan de fotodetector gebaseerd op GNRs afgesteld worden door bron-drain en achtergate-spanning. De waargenomen hoge prestaties banen aanzienlijk de weg voor het ontwikkelen van hoge-responsiviteit en ultrasnelle grafene-fotodetectoren.

Experimentele Methodes

Het grafeenvel werd geëxfolieerd op een Si-substraat (bedekt met 300 nm SiO₂) van de grafiet-bulk (graad ZYA, SPI Supplies) door de 3M-tape micromechanische scheidingstechniek. Grafene nanoribbons met een breedte van 20 nm werden gefabriceerd met behulp van reactieve-ion etching (RIE, PE-3A) en elektronenbundel-lithografie (EBL, Raith BV EBPG5150). Hierna werden monolaag grafene en grafene nanoribbon op SiO₂ dielectrisch gekarakteriseerd door een optische microscoop en Raman-spectroscopie (WITec Alpha 300R). Standaard fotolithografie en e-bundel verdamping van Ti/Au (20 nm/80 nm) werden gebruikt om de bron- en drainelektroden te creëren. Acht apparaten (16 GNRs) werden gefabriceerd, en 5 van hen bezitten uitstekende prestaties. Alle metingen werden uitgevoerd door een zelfgemaakt systeem samengesteld uit een laserlichtbron, een optische chopper, een 4-proef trap, en een halfgeleider-parameter-analyser. Een licht-gedoteerd silicium (P-type 10–20 Ω·cm) substraat werd gebruikt om het fotogating-effect te verbeteren. Een Ti:Saffier zichtbare laser bij een golfengte van ongeveer 632 nm werd gebruikt om laserpulsen te genereren binnen een gebied van 6,25 mm² bij kamertemperatuur. De frequentie van het incidente licht werd gemoduleerd met een optische chopper in een bereik van 5 Hz tot 50.000 Hz. Daarnaast kon het incidente laservermogen aangepast worden van 0,34 mW tot 5 mW. De data getoond in de figuren, inclusief stroom (Fig. 1c, d, 2a–d, 3a, b, 4a–d, en 5a, b), werd verkregen van een halfgeleider-parameter-analyser (Agilent, B1500A) met of zonder verlichting. Alle fotoresponsmetingen werden onder omgevingsomstandigheden uitgevoerd.

Resultaten en Discussie

GNRs worden verwacht als ideale ladingdrager voor fotodetectie. De GNR-fotodetector die we fabriceren bestond uit bron- en drainelektroden op een Si/SiO₂ substraat met een licht-gedoteerde siliciumwafer die fungeert als achtergate, zoals schematisch getoond in Fig. 1a. Om hoge mobiliteit en een groot genoeg bandgat tegelijkertijd te garanderen, werd de breedte van grafene nanoribbons gekozen als een matige 20 nm. De complete structuur van GNRs wordt getoond in de scanning elektronenmicroscoop-afbeelding (Fig. 1b), en de lengte van grafene nanoribbons was 2 μm. Anders dan conventionele fotodetectoren, werd licht-gedoteerd Si aangenomen als substraat omdat de ladingslevensduur er veel langer is dan in zwaar-gedoteerd Si.

De elektrische karakterisering werd herhaaldelijk uitgevoerd en de gevolglike I-V_S−D relatie is geplottet in Fig. 1c. De curves onder verschillende achtergate-spanningen in een bereik van -10 V tot 10 V zijn niet-lineair en asymmetrisch, wat duidt op het bestaan van een intern elektrisch veld, wat kan voortkomen uit fabricatie-geïnduceerde defecten of de Schottky-barrière aan de elektrodecontacten. Het interne elektrisch veld had een niet-verwaarloosbaar effect op de fotostroom van de GNR-fotodetector, wat later geïllustreerd zal worden. De inset is de vergelijking van I-V kenmerken van het apparaat onder donker en verlichting (toepassen van een laserpuls met frequentie van 10 Hz), wat de gevoelige optische-schakelbaarheid manifesteert. Duidelijk verschuift de I-V curve als V_G varieert. Om het effect van V_G op de ladingstransporteigenschappen van het GNR-kanaal verder uit te zoeken, werden de overbrengingskarakteristieken in de donkere toestand bij kamertemperatuur opgenomen zoals getoond in Fig. 1d. De gemeten I_D–V_G curve bij V_SD = 10 mV toonde aan dat ons apparaat een typisch gedrag van grafene-gebaseerde fotodetector vertoonde, en GNRs fungeerden als p-type kanaal met een verschuiving van 20 V.

Voor typische opto-elektronische systemen bepaalt de responssnelheid (gekennzeichnet door de totale tijd vereist voor de uitgang om te stijgen (dalen) van 10 (90)% tot 90 (10)% van de pulspiek) van een fotodetector de draaisnelheid en informatiecapaciteit van het fotodetectiesysteem. Om de uiterste responstijd van het gefabriceerde apparaat te onderzoeken, werden invoer optische signalen met verschillende pulsfrequenties van 40 Hz, 400 Hz en 50.000 Hz toegepast. Fig. 2b–d tonen de corresponderende tijdsopgeloste totale fotostromen, die intuïtief weerspiegelen dat de gefabriceerde fotodetector efficiënt in- en uitgeschakeld kon worden met uitstekende herhaalbaarheid. Verder, wanneer de laserfrequentie aangepast werd tot 50.000 Hz, werd de stijgtijd gemeten op 10 μs. We geloven dat ons apparaat verwacht wordt te opereren bij hogere frequenties boven 50.000 Hz, en de accurate waarde van responssnelheid is niet duidelijk door de beperking van de meetapparatuur. Het werd opgemerkt dat de GNR-fotodetector veel sneller liep dan de meeste fotodetectoren gebaseerd op grafene en andere 2D TMD's. Het wordt gegloeid dat de snelle fotostroomschakeling toegeschreven kan worden aan de ultrahoog ladingdrager-mobiliteit van GNRs van zo'n breedte en het sterke externe elektrisch veld.

Naast snelle responssnelheid zijn hoge responsiviteit en versterkte versterking onmisbaar voor toepassing van de fotodetector. Daarom, door licht toe te passen op het gehele apparaat bij kamertemperatuur, bestudeerden we verder de fotorespons van de GNR-fotodetector zonder bron-drain bias en achtergate-spanning. Figuur 2a presenteert de tijdsafhankelijke fotostroommetingen van het apparaat in afwezigheid van bias-spanning onder aan-uit lichtmodulatie. De waargenomen fotostroom was 275 nA (I_verlichting = 293 nA, I_donker = 18 nA) onder verlichting, wat een hoge fotoresponsiviteit van R = 17,2 AW⁻¹ en een hoge versterking van G = 1465 aan gaf, berekend via de volgende twee vergelijkingen:

R = I_P / (S_G/S_L · P)

G = (I_P/e) / ((S_G/S_L · P · 2,3%) / hν) (ν = c/λ_in)

Waarbij I_P (275 nA) de fotostroom is, terwijl S_L (6,25 mm²) en S_G (2 μm × 10 μm) het daadwerkelijke gebied van de laser en GNR respectievelijk zijn, en P (5 mW) het vermogen van incidente laser met golfengte λ_in (532 nm). Het is essentieel om het fotostroom-generatie mechanisme van GNR-fotodetectoren te verkennen om de hoge prestaties van onze apparaten te verduidelijken. Voor fotodetectoren gebaseerd op twee-dimensionale materialen zijn er voornamelijk twee fotostroom-generatie mechanismen: fotoconductieve effect (PC) en fotovoltaïsch effect (PV).

Zonder bron-drain bias toe te passen, was PV verantwoordelijk voor fotostroom-generatie omdat twee ingebouwde elektrische velden gevormd werden tussen GNRs en elektroden. De twee elektrische velden waren niet dezelfde grootte door defecten gevormd in het fabricatieproces. Wanneer het licht het gebied bereikte bij Au-GNRs interface, werden fotogegenereerde elektronen-gaten paren gegenereerd en vervolgens gescheiden door de ingebouwde velden, wat een significante bijdrage leverde aan fotostroom-generatie. Onder een bron-drain bias, speelden de twee ingebouwde elektrische velden bij Au-GNRs interface echter weinig rol in fotostroom-generatie. Daarom speelde PC de meest cruciale rol in fotostroom-generatie in het geval van toepassen van bron-drain bias. Na fotonen te absorberen, genereerde GNR-kanaal meer vrije ladingen, wat de weerstand van ladingskanalen verlaagde. Daarom werd een significante fotostroom I_P = V_OC/R_G waargenomen (V_OC vertegenwoordigt open-circuit spanning en R_G is de totale weerstand van kanaal gevormd door 16 grafene nanoribbons).

Zoals te zien in Fig. 2a–d, werd een μA-niveau fotostroom waargenomen, wat kan zijn door de bijdrage van drie aspecten. Eén was dat de elektronen-gaten recombinatiesnelheid verminderd was als gevolg van het bandgat in GNRs. Het andere was dat fotogegenereerde elektronen gevangen werden tijdens de overgang van valentieband naar geleidingsband door mid-gap toestanden geïnduceerd door randedefecten van GNRs. Daarom, voordat gaten en gevangen elektronen gerecombineerden, konden gaten circuleren tussen drain-bron elektroden om fotostroom te vormen, wat hoge versterking bereikte. Het derde aspect was dat de accumulatie van elektronen aan SiO₂/Si-interface equivalent was aan toepassen van een verticaal elektrisch veld, en dus de geleiding van kanaal aanzienlijk verbeterd werd. Verder, in Fig. 2a–d, had de verkregen fotostroom weinig afhankelijkheid van frequentie van incidente licht gemoduleerd door optische chopper, wat vergelijkbaar is met gerapporteerde MoS₂ fotodetector. Het fotoconductieve effect speelde de primaire rol in fotostroom-generatie van GNR-fotodetector wanneer frequentie van licht gereguleerd werd door chopper. Echter, wanneer het apparaat blootgesteld was aan licht (0 Hz), zou fotogating-effect significant zijn in het proces van ladingsgeneratie, wat leidde tot vangen en recombinatie binnen halfgeleiders.

Het gedetailleerde fysieke proces van het derde aspect hierboven besproken werd gedemonstreerd in Fig. 2e, f. Om een evenwichtstoestand in het donker te bereiken, zouden elektronen diffunderen van SiO₂ naar Si vanwege het verschil in Ferminiveaus tussen de twee materialen, wat leidde tot energie-bandbuiging aan Si/SiO₂ interface. Als resultaat werd een sterk ingebouwd elektrisch veld (E) gevormd in de uitputtingsregio, wat de fotogegenereerde elektronen-gaten paren efficiënt scheidde met elektronen die naar de interface tussen Si en SiO₂ bewogen terwijl gaten naar het interne gebied van Si overgingen. De elektronen accumuleerden dan aan SiO₂/Si-interface, en deze gevangen elektronen pasten een additionele negatieve verticale spanning toe op GNRs, waar de aanwezigheid van deze elektronen de gatconcentratie verhoogde en het Ferminiveau van GNR-kanaal dienovereenkomstig verlaagde.

Hoewel het apparaat hoge prestaties vertoont, is het van belang om diverse effectieve benaderingen te zoeken om de fotostroom en responsiviteit van het apparaat aanzienlijk te verhogen. Vervolgens werden de effecten van bron-drain bias en gate-spanning op fotostroom systematisch onderzocht. Figuur 3a toont resultaten van fotostroom (I_laser), achtergrondstroom (I_donker), en fotoresponsstroom (I_ph) metingen als functie van bron-drain spanning (−3 V ≤ V_S−D ≤ 10 V) bij vaste gate-spanning. De fotostroom was niet nul bij V_S−D = 0 en nam niet-lineair toe met bron-drain spanning, wat ook het bestaan van ingebouwd elektrisch veld bewijst. Het is duidelijk dat de waarde van fotostroom sterk afhankelijk was van bron-drain bias.

Een overtuigende verklaring voor instelbaarheid via bron-drain spanning is dat de relatie tussen fotostroom, achtergrondstroom en fotoresponsstroom uitgedrukt kan worden als I_verlichting = I_ph + I_donker, waar I_ph en I_donker toegenemen met drain-bron spanning V_S−D omdat de drift-snelheid van ladingen steeg en de ladingsoverdrachttijd verminderde onder een extern elektrisch veld. Daarom verbeterde de scheidingsefficiëntie van fotogegenereerde ladingen significant, wat grote bijdrage leverde aan grote fotostroom. Dergelijk fenomeen geeft aan dat het totale elektrisch veld van GNR-kanaal, de som van intern elektrisch veld en extern elektrisch veld, gemoduleerd kan worden door V_S−D.

Bovendien, rekening houdend met gate-instelbare ladingdichtheid van GNR, werd de fotostroom van ons apparaat effectief aangepast door de achtergate-spanning te moduleren. Figuur 3b toont deze drie soorten stromen (I_verlichting, I_ph en I_donker) als functie van achtergate-spanning (−5 V ≤ V_G ≤ 5 V) bij V_S−D = 0. In het algemeen was fotostroom positief gecorreleerd met absolute waarde van gate-spanning, omdat ladingdichtheid van GNR gevoelig was voor extern verticale elektrisch veld. Interessant genoeg nam fotostroom toe toen gate-spanning toe nam toen gate-spanning negatief was (−5 V ≤ V_G ≤ 0 V), en het tegenovergestelde gebeurde toen gate-spanning positief was (0 V ≤ V_G ≤ 5 V). Dit fenomeen kon verklaard worden door p-type gedrag van GNR-kanaal, wat goed overeenkwoom met waarneming in Fig. 2d. De resultaten geven aan dat de toegenomen |V_G| het Ferminiveau van kanaal dichter bij valentieband (of geleidingsband) kan afstellen en de geleiding van GNR-kanaal gate-instelbaar was. Opvallend was dat voor beide modulatiemethoden (bron-drain spanning en achtergate-spanning), de instelbaarheid van fotostroom gedemonstreerd werd in een ultra-wijd bereik van nA-niveau tot μA-niveau.

Daarnaast kon de responsiviteit en versterking eveneens efficiënt gemoduleerd worden door gate-spanning en bron-drain spanning van GNR-fotodetector te regelen. De versterking en fotoresponsiviteit afhankelijkheid van bron-drain bias werden berekend [volgens Verg. (1) en (2)] en vervolgens geplottet in Fig. 4a, b. Voor fotodetector gebaseerd op GNRs, wordt de relatie tussen versterking en V_S−D gegeven door de volgende formule: G = τ/τ_T = τ / (l²/(μV_S−D)) = τμV_S−D/l². Waarbij τ de overmaat gat-levensduur (gevangen gat-levensduur) is, en τ_T = l²/(μV_S−D) de doorlooptijd van de lading, terwijl l de lengte van kanaal is en μ de ladingmobiliteit, terwijl V_S−D de bron-drain bias is. Daarom vertonen versterking en bron-drain spanning positieve correlatie. Blijkbaar is G lineair afhankelijk van bron-drain bias. Als resultaat werden een maximale fotoresponsiviteit van R = 170 AW⁻¹ en maximale versterking van G = 14.500 bereikt bij kamertemperatuur bij V_S−D = 0,5 V, wat een 100-voudige verbetering was ten opzichte van eerdere grafene-nanostructuur-gebaseerde fotodetectoren. Belangrijker nog, de waarden van versterking en fotoresponsiviteit waren niet verzadigd. Als gevolg kon een hogere versterking en fotoresponsiviteit bereikt worden als een grotere drain-bron spanning toegepast werd.

Figuur 4c, d toont dat fotoresponsiviteit en versterking eveneens verbeterd konden worden door achtergate-bias toe te passen om de ladingconcentratie van GNRs te verbeteren. De maximale fotoresponsiviteit van R = 800 AW⁻¹ en maximale versterking van G = 22.400 werden verkregen bij V_G = -4 V. Deze maximumwaarde van fotoresponsiviteit was vijf ordes van grootte hoger dan die van zuivere grafene-fotodetectoren (~10 mAW⁻¹). Verder waren zowel versterking als fotoresponsiviteit niet verzadigd, daarom kon hogere fotoresponsiviteit bereikt worden door grotere achtergate-spanning toe te passen. Naast ladingconcentratie, was een andere factor die de kanaalstroom significant beïnvloedde de contactweerstand (R_C) tussen Au-elektroden en GNRs die onlosmakelijk gerelateerd was aan Schottky-barrièrehoogte aan de interface. Aangezien GNRs fungeerden als p-type kanaal, bij toepassen van negatieve V_G, werd Schottky-barrièrehoogte verlaagd door lager Ferminiveau. In tegenstelling, toen V_G verhoogd werd tot positieve waarde, werd Schottky-barrièrehoogte verhoogd, en de stroom in kanaal sterk onderdrukt.

Ten slotte keren we terug naar het tijdsafhankelijk onderzoek van fotostroom onder incidente lichtvermogen. Figuur 5a toont tijdsafhankelijke fotostroommetingen onder verschillende vermogens van incidente licht. Deze fotostroom was groot genoeg voor directe meting zonder enige stroom-voorversterkers of lock-in versterkers, zelfs bij mW-niveau optisch vermogen. Figuur 5b plaatst fotostroom als functie van incidente optische vermogen. De fotostroom had een niet-lineaire relatie met incidente vermogen (I_ph = P^α, α = 0,85). Onder lager lichtvermogen was de bijdrage van fotogating-stroom dominant, en fotoconductief effect kon genegeerd worden door afname in aantal fotogegenereerde ladingen. Bij hogere verlichting, integengegen, werd een toenemende stroom waargenomen, wat toegeschreven kon worden aan toegenomen aantal fotogegenereerde elektronen (fotoconductief effect). Bovendien was het apparaat gevoelig voor incidente licht en de resulterende fotostroom was nauw gerelateerd aan incidente lichtenergie, wat de enorme potentieel voor optische vermogenmonitor onthulde. Een vergelijking van opto-elektronische parameters in diverse fotodetectoren is gegeven in Tabel 1.

Conclusies

Samengevat, we hebben een hoog-presterende grafene nanoribbon fotodetector gedemonstreerd gemoduleerd in een wijd bereik door extern elektrisch veld bij kamertemperatuur. Tegenwoordig, zonder extern elektrisch veld, kon de prestatie van het apparaat verbeterd worden door het gelokaliseerde veld aan Si/SiO₂ interface. Het apparaat vertoonde een hoge fotoresponsiviteit van 800 AW⁻¹ bij V_G = -4 V, wat twee ordes van grootte hoger was dan die in eerdere onderzoeken. Verder is de structuur van ons apparaat veel eenvoudiger vergeleken met eerdere grafene-gebaseerde opto-elektronische apparaten met potentiële brede toepassingen. De prestaties van grafene nanoribbon apparaat kunnen verder verbeterd worden door h-BN encapsulatie, oppervlakte-plasmonen, ferro-elektrisch veld, en hybride structuren. De voorgestelde grafene nanoribbons fotodetector opent opwindende kansen voor ultrasnelle en hoge gevoeligheid voor toekomstige grafene-gebaseerde veiligheidsmonitoring, foto-communicatie en luchtvaarttoepassingen.