Динамическое управление светочувствительностью высокого диапазона в фотодетекторе с графеновой нанолентой

Введение

Графен, двумерный (2D) слоистый материал, играет важную роль во многих областях, включая электродиализ [1], батареи [2], нанофильтрацию [3], катализ [4], электромагнитные помехи [5] и оптоэлектронику. Примечательно, что графен привлек большое внимание благодаря своим новым оптоэлектронным свойствам [6,7,8,9], таким как высокая подвижность носителей заряда [10,11], отсутствие запрещенной зоны [12,13,14] и настраиваемый уровень Ферми [ 15]. Поэтому графен считается привлекательным материалом для оптоэлектронных приложений [16,17,18]. Однако низкое поглощение (~ 2.3%) монослойного графена из-за его малой толщины по-прежнему является критической проблемой [19]. С другой стороны, его характеристика с нулевой шириной запрещенной зоны сильно ограничивает применение в оптоэлектронике, что приводит к короткому времени жизни фотогенерируемых носителей заряда (~ ps) и приводит к быстрой электронно-дырочной рекомбинации [20, 21]. Как следствие, дальнейшее улучшение чувствительности первичного графенового фотодетектора остается сложной задачей, и очень важно разделить электроны и дырки для создания эффективного фототока.

Чтобы преодолеть эти проблемы, были исследованы различные методы, и соответственно была улучшена светочувствительность фотодетекторов на основе графена. Эффект фотостирования [22], который обычно наблюдается в фотоприемниках на основе низкоразмерных материалов и их гибридных структурах, играет существенную роль в высокой производительности фотоприемников. Фотоприемники на базе MoTe ₂ [23] и MoS ₂ Сообщалось о [24], использующих эффект фотостатации, а также были получены фотодетекторы с превосходными характеристиками на основе графена, использующие эффект фотостатирования. Было продемонстрировано, что объединение квантовых точек графена и PbS является эффективным способом увеличения поглощения света и достижения сверхвысокого коэффициента усиления в графеновом фотодетекторе [25]. Кроме того, рекомбинация электронов и дырок также может быть минимизирована в фотоприемнике на основе гетероструктур, таких как графен-Ta ₂ О ₅ -графен [26], где фотоиндуцированные электронно-дырочные пары были разделены с помощью эффектов квантового туннелирования, что привело к значительному увеличению светочувствительности и усиления. Время отклика такого фотоприемника с гибридной структурой было серьезно увеличено из-за длительного времени захвата носителей в квантовых точках PbS или в Ta ₂ О ₅ туннельный барьер. Таким образом, от фотодетектора на основе графена требуется добиться превосходных характеристик по чувствительности, времени отклика и спектральному отклику.

Здесь мы предлагаем фотоприемник на основе графеновых нанолент шириной 20 нм и демонстрируем его светочувствительность (до 800 AW ⁻¹ ) и быстрая скорость отклика (~ 10 мкс). Такие высокие характеристики в основном объясняются значительной шириной запрещенной зоны в ГНЛ, усиленной эффектом фотостатирования на кремнии / оксиде кремния (Si / SiO ₂ ) интерфейс. Физический механизм детектора пояснялся диаграммами энергетических зон. Кроме того, фотоприемник на основе ГНЛ может быть настроен по напряжению исток-сток и обратному затвору. Наблюдаемые высокие характеристики существенно открывают путь для разработки высокочувствительных и сверхбыстрых графеновых фотоприемников.

Экспериментальные методы

Лист графена был расслоен на подложку Si (покрытую 300 нм SiO ₂ ) из массива графита (марка ЗЯ, SPI Supplies) методом микромеханического скола ленты 3М. Графеновые наноленты шириной 20 нм были изготовлены с использованием реактивного ионного травления (RIE, PE-3A) и электронно-лучевой литографии (EBL, Raith BV EBPG5150). После этого однослойный графен и графеновая нанолента на SiO ₂ диэлектрик были охарактеризованы с помощью оптического микроскопа и рамановской спектроскопии (WITec Alpha 300R). Для создания электродов истока и стока использовались стандартная фотолитография и испарение электронным лучом Ti / Au (20 нм / 80 нм). Изготовлено восемь устройств (16 ГНР), 5 из них обладают отличными характеристиками. Все измерения проводились с помощью самодельной системы, состоящей из лазерного источника света, оптического прерывателя, 4-х зондового каскада и анализатора параметров полупроводников. Для усиления эффекта фотостатирования использовалась подложка из низколегированного кремния (P-типа 10–20 Ом · см). Лазер видимого диапазона на Ti:Sapphire с длиной волны около 632 нм использовался для генерации лазерных импульсов на площади 6,25 мм ² . при комнатной температуре. Частота падающего света модулировалась оптическим прерывателем в диапазоне от 5 Гц до 50000 Гц. Кроме того, мощность падающего лазера могла регулироваться от 0,34 мВт до 5 мВт. Данные, показанные на рисунках, включая ток (рис. 1c, d, 2a – d, 3a, b, 4a – d и 5a, b), были получены с помощью анализатора параметров полупроводников (Agilent, B1500A) с подсветкой или без нее. . Все измерения фотоотклика проводились в условиях окружающей среды.

а Схематическое изображение фотоприемника GRN. Он похож на устройство на полевом транзисторе, состоящее из электрода истока и стока на Si / SiO ₂ . подложка со слаболегированной кремниевой пластиной, действующей как задний затвор. Падающий свет модулировался оптическим прерывателем переменной частоты. б СЭМ-изображение фотоприемного устройства ГРН. c Вольт-амперные характеристики устройства ГРН при различных напряжениях на затворе. На вставке:ВАХ прибора в темноте (красная линия) или освещении с частотой 10 Гц (синяя линия). г Зависимость тока исток-сток от напряжения смещения на затворе фотодетектора GNR при комнатной температуре. Врезка:схематическая диаграмма структуры диапазона ГНР

а Зависящие от времени измерения фототока устройства без смещения обратного затвора и напряжения исток-сток при двухпозиционной модуляции света (632 нм) при комнатной температуре. Фототок в зависимости от времени измерялся при лазерном освещении с частотой 40 Гц ( b ), 400 Гц ( c ) и 5000 Гц ( d ). е Принципиальная схема фотоприемника ГНР. е Энергетическая диаграмма границы раздела Si и SiO ₂ при световом освещении. E _C , E _V , E _fs , и E _VAC - зона проводимости, валентная зона, уровень Ферми и уровень вакуума соответственно. E _f и E _f ’- уровень Ферми до и после инжекции электрона в канал ГНР. E _g ’- это запрещенная зона для GNR. Проиллюстрированы два процесса:(I) электронный переход из зоны значений в зону проводимости при освещении в Si и SiO ₂ ; (II) перенос дырок из SiO ₂ к Si и возбужденным фотонами носителям, дрейфующим через встроенное поле

а Зависимость фототока от смещенного напряжения исток-сток. Измерения фототока, фонового тока и тока фотоотклика фотоприемника GRN при смещении от напряжения на затворе. Уменьшение фототока с увеличением смещенного напряжения исток-сток способствовало повышению эффективности разделения фотогенерируемых электронно-дырочных пар. б Зависимость фототока от напряжения на заднем затворе. Зависимость характеристик фототока от напряжения смещения на обратном затворе при смещении напряжения исток-сток. Результаты показывают, что фототок можно модулировать путем смещения напряжения исток-сток и напряжения затвора

Зависимость светочувствительности от смещенного напряжения исток-сток и напряжения затвора. а и b выявить зависимость светочувствительности и усиления от напряжения исток-сток, соответственно, c и d показать зависимость светочувствительности и усиления от напряжения заднего затвора, соответственно

а Измерения фототока в зависимости от времени при различной мощности падающего света. б Энергетическая зависимость свойств фототока. Результаты показывают, что фотодетектор GRN обладал высокой светочувствительностью, позволяющей определять входную оптическую мощность на уровне мВт

Результаты и обсуждение

Ожидается, что GNR станут идеальным носителем для фотодетектирования. Фотодетектор ГНР, который мы изготовили, состоял из электродов истока и стока на Si / SiO ₂ подложка со слаболегированной кремниевой пластиной, действующей как задний затвор, как схематически показано на рис. 1а. Чтобы обеспечить высокую подвижность и одновременно получить достаточно большую ширину запрещенной зоны, ширина графеновых нанолент была выбрана умеренной 20 нм. Полная структура ГНЛ показана на изображении, полученном с помощью сканирующего электронного микроскопа (рис. 1б), длина графеновых нанолент составляла 2 мкм. В отличие от обычных фотодетекторов, слаболегированный Si был принят в качестве подложки по той причине, что срок его службы намного больше, чем у сильно легированного Si [27].

Электрические характеристики были неоднократно выполнены, и последующие I- V _{S - Д} зависимость показана на рис. 1c. Кривые при различных напряжениях на заднем затворе в диапазоне от -10 В до 10 В являются нелинейными и асимметричными, что указывает на наличие внутреннего электрического поля, которое может быть результатом производственных дефектов или барьера Шоттки на контактах электродов. . Внутреннее электрическое поле оказало незначительное влияние на фототок фотоприемника ГНР, что будет проиллюстрировано позже. На вставке - сравнение ВАХ прибора в темноте и при освещении (подача лазерного импульса с частотой 10 Гц), демонстрирующее чувствительную перестраиваемость с оптическим переключением. Очевидно, кривая ВАХ сдвинулась как V _G разнообразный. Для дальнейшего выяснения эффекта V _G на характеристиках переноса заряда канала ГНР, характеристики переноса в темном состоянии были записаны при комнатной температуре, как показано на рис. 1d. Измеренный I _Д - V _G кривая при V _SD =10 мВ продемонстрировало, что наше устройство демонстрирует типичное поведение фотодетектора на основе графена, а ГНЛ действуют как канал p-типа со сдвигом 20 В.

Для типичных оптоэлектронных систем скорость отклика (характеризуемая общим временем, необходимым для повышения (падения) выходного сигнала с 10 (90)% до 90 (10)% от пика импульса) фотодетектора определяет скорость работы и информационную емкость. системы фотодетектирования. Для исследования предельного времени отклика изготовленного устройства использовался входной оптический сигнал с различными частотами импульсов:40 Гц, 400 Гц и 50 000 Гц. На рис. 2b – d показаны соответствующие суммарные фототоки с временным разрешением, которые интуитивно показывают, что изготовленный фотодетектор можно эффективно включать и выключать с превосходной воспроизводимостью. Кроме того, когда частота лазера была отрегулирована на 50 000 Гц, время нарастания было измерено равным 10 мкс. Мы полагаем, что наше устройство должно работать на более высоких частотах, превышающих 50 000 Гц, и точное значение скорости отклика неясно из-за ограничений измерительного оборудования. Было отмечено, что фотодетектор GNR работает намного быстрее, чем большинство фотоприемников на основе графена и других 2D TMD [28,29,30,31]. Считается, что быстрое переключение фототока можно объяснить сверхвысокой подвижностью носителей заряда ЗНЛ такой ширины и сильным внешним электрическим полем.

Помимо высокой скорости отклика для применения фотодетектора необходимы высокая чувствительность и повышенное усиление. Поэтому, подавая свет на все устройство при комнатной температуре, мы дополнительно изучили фотоотклик фотодетектора GNR без смещения исток-сток и напряжения на затворе. На рис. 2а представлены измерения фототока устройства в зависимости от времени в отсутствие напряжения смещения при двухпозиционной модуляции света. Наблюдаемый фототок составлял 275 нА ( I _{освещение} =293 нА, I _темный =18 нА) при освещении, что свидетельствует о высокой светочувствительности R =17,2 AW ⁻¹ и высокий прирост G =1465, рассчитанное с помощью следующих двух уравнений:

где I _P (275 нА) - фототок, а S _L (6,25 мм ² ) и S _G (2 мкм × 10 мкм) - это фактическая площадь лазера и ГНР соответственно, а P (5 мВт) - мощность падающего лазера с длиной волны λ _в (532 нм). Очень важно изучить механизм генерации фототока фотодетекторов GNR, чтобы прояснить высокую производительность наших устройств. Для фотоприемников на основе двумерных материалов в основном существует два механизма генерации фототока:фотопроводящий эффект (ФП) и фотогальванический эффект (ФВ) [32].

Без приложения смещения исток-сток, фотоэлектрический элемент отвечал за генерацию фототока, поскольку между GNR и электродами формировались два встроенных электрических поля. Два электрических поля не были одинаковой величины из-за дефектов, образовавшихся в процессе производства. Когда свет достигал области на границе раздела Au-GNR, генерировались фото-генерируемые электронно-дырочные пары, которые впоследствии разделялись встроенными полями, которые вносили значительный вклад в генерацию фототока. Однако при смещении исток-сток два встроенных электрических поля на интерфейсе Au-GNR играли небольшую роль в генерации фототока. Таким образом, при подаче смещения исток-сток решающую роль в генерации фототока играл ПК. После поглощения фотонов канал GNR генерировал больше свободных носителей, уменьшая сопротивление каналов носителей. Следовательно, значительный фототок I _P =\ (\ frac {V_ {OC}} {R_G} \) ( V _OC представляет собой напряжение холостого хода, а R _G - полное сопротивление канала, образованного 16 графеновыми нанолентами).

Как видно на рис. 2a – d, a мкА Наблюдался фототок на -уровне, что могло быть связано с вкладом трех аспектов. Во-первых, скорость рекомбинации электронно-дырочных пар была снижена из-за ширины запрещенной зоны в ГНЛ. Другой заключался в том, что фотогенерированные электроны захватывались при переходе из валентной зоны в зону проводимости средними запрещенными состояниями [33], индуцированными краевыми дефектами ГНЛ. Следовательно, до того, как дырки и захваченные электроны воссоединятся, дырки могут циркулировать между электродами сток-исток, чтобы сформировать фототок, достигая высокого усиления. Третий аспект заключался в том, что накопление электронов на SiO ₂ Интерфейс / Si был эквивалентен приложению вертикального электрического поля, и, таким образом, проводимость канала была значительно увеличена. Кроме того, на рис. 2a – d полученный фототок мало зависел от частоты падающего света, модулированного оптическим прерывателем, что аналогично сообщенному MoS ₂ фотоприемник [24]. Эффект фотопроводимости играл основную роль в генерации фототока фотодетектора GNR, когда частота света регулировалась прерывателем. Однако, когда устройство подвергалось воздействию света (0 Гц), эффект фотостирования был бы значительным в процессе генерации носителей, приводя к захвату и рекомбинации в полупроводниках.

Подробный физический процесс третьего аспекта, обсужденного выше, продемонстрирован на рис. 2e, f. Чтобы достичь равновесного состояния в темноте, электроны должны диффундировать из SiO ₂ на Si из-за разницы уровней Ферми между двумя материалами, что привело к изгибу энергетических зон на Si / SiO ₂ интерфейс. В результате в обедненной области сформировалось сильное встроенное электрическое поле (E), которое эффективно разделяло фотогенерированные электронно-дырочные пары с электронами, движущимися к границе раздела между Si и SiO ₂ а дырки переходят во внутреннюю область Si. Затем электроны накапливались на SiO ₂ / Si, и эти захваченные электроны прикладывали дополнительное отрицательное вертикальное напряжение к GNR, где присутствие этих электронов увеличивало концентрацию дырок и соответственно понижало уровень Ферми канала GNR.

Хотя устройство демонстрирует высокую производительность, важно найти несколько эффективных подходов для значительного увеличения фототока и чувствительности устройства. Затем систематически исследовалось влияние смещения исток-сток и напряжения затвора на фототок. На рисунке 3а показаны результаты измерения фототока ( I _лазер ), фоновый ток ( I _темный ) и ток фотоотклика ( I _ph ) измерения в зависимости от напряжения исток-сток (- 3 В ≤ В _{S - Д} ≤ 10 В) при фиксированном напряжении затвора. Фототок отличался от нуля при V _{S - Д} =0 и нелинейно возрастает с увеличением напряжения исток-сток, что также доказывает наличие встроенного электрического поля. Понятно, что величина фототока сильно зависела от смещения сток-исток.

Убедительным объяснением возможности настройки через напряжение исток-сток является то, что взаимосвязь между фототоком, фоновым током и током фотоотклика может быть выражена как I _{освещение} = Я _ph + Я _темный , где I _ph и я _темный увеличивается с увеличением напряжения сток-исток В _{S - Д} потому что скорость дрейфа носителей увеличилась, а время пролета носителей уменьшилось под действием внешнего электрического поля [34]. Следовательно, эффективность разделения фотогенерированных носителей улучшилась, что в значительной степени способствовало увеличению фототока. Такое явление указывает на то, что полное электрическое поле канала GNR, сумма внутреннего электрического поля и внешнего электрического поля, может модулироваться V _{S - Д} .

Более того, учитывая настраиваемую затвором плотность носителей GNR, фототок нашего устройства был эффективно отрегулирован путем модуляции напряжения на затворе. На рисунке 3b показаны эти три вида токов ( I _{освещение} , Я _ph и я _темный ) как функция напряжения на затворе (- 5 В ≤ V _G ≤ 5 В) при В _{S - Д} =0. В общем, фототок положительно коррелировал с абсолютным значением напряжения затвора, потому что плотность носителей GNR была чувствительна к внешнему вертикальному электрическому полю. Интересно, что фототок увеличивался с увеличением напряжения затвора, когда напряжение затвора было отрицательным (- 5 В ≤V _G ≤ 0 В), и обратное происходило, когда напряжение затвора было положительным (0 В ≤V _G ≤ 5 В). Это явление можно объяснить p-типом поведения канала GNR, что хорошо согласуется с наблюдением на рис. 2d. Результаты показывают, что увеличенный | V _G | может настраивать уровень Ферми канала ближе к валентной зоне (или зоне проводимости), а проводимость канала GNR настраивалась затвором. Примечательно, что для обоих двух методов модуляции (напряжение исток-сток и напряжение на затворе) была продемонстрирована возможность настройки фототока в сверхшироком диапазоне от уровня нА до уровня мкА.

Кроме того, чувствительность и усиление также можно эффективно модулировать, регулируя напряжение затвора и напряжение исток-сток фотодетектора GNR. Зависимость смещения исток-сток от усиления и светочувствительности рассчитывалась [согласно формулам. (1) и (2)] и затем нанесены на рис. 4a, b. Для фотоприемника на основе ГНЛ соотношение между усилением и V _{S - Д} дается следующей формулой:

где τ - время жизни избыточной дырки (время жизни захваченной дыры), а τ _Т = l ² / ( мкВ _{S - Д} ) - время доставки перевозчика, а l - длина канала, а μ - мобильность носителя, тогда как V _{S - Д} - смещение исток-сток. Следовательно, коэффициент усиления и напряжение исток-сток имеют положительную корреляцию. Судя по всему, G линейно зависит от смещения исток-сток. В результате максимальная светочувствительность R =170 AW ⁻¹ и максимальное усиление G =14 500 были достигнуты при комнатной температуре при V _{S - Д} =0,5 В, что в 100 раз лучше предыдущих фотоприемников на основе графеновых наноструктур [26, 35, 36]. Что еще более важно, значения усиления и светочувствительности не были насыщенными. Следовательно, более высокое усиление и светочувствительность могут быть достигнуты, если будет приложено большее напряжение сток-исток.

На рис. 4c, d показано, что светочувствительность и усиление также могут быть улучшены путем применения смещения обратного затвора для улучшения концентрации носителей в GNR. Максимальная светочувствительность R =800 AW ⁻¹ и максимальное усиление G =22400 были получены при V _G =- 4 В. Это максимальное значение светочувствительности было на пять порядков выше, чем у фотоприемников из чистого графена (~ 10 мАВт ⁻¹ ) [37]. Кроме того, как усиление, так и светочувствительность не были насыщенными, поэтому более высокая светочувствительность могла быть достигнута путем приложения большего напряжения заднего затвора. Помимо концентрации носителей, еще одним фактором, который существенно повлиял на ток в канале, было контактное сопротивление ( R _C ) между Au-электродами и ЗНЛ, что неразрывно связано с высотой барьера Шоттки на границе раздела [34]. Поскольку GNR служили каналом p-типа, при применении отрицательного V _G высота барьера Шоттки была уменьшена из-за более низкого уровня Ферми. Напротив, когда V _G был увеличен до положительного значения, высота барьера Шоттки была увеличена, и ток в канале был значительно подавлен.

Наконец, мы переходим к исследованию зависимости фототока от времени при падающем свете мощности. На рис. 5а показаны измерения фототока в зависимости от времени при различной мощности падающего света. Этот фототок был достаточно большим для прямого измерения без каких-либо предварительных усилителей тока или синхронизирующих усилителей, даже при оптической мощности на уровне мВт. На рис. 5б показан график зависимости фототока от падающей оптической мощности. Фототок имел нелинейную зависимость от падающей мощности ( I _ph =P ^α , α =0,85). При более низкой мощности света вклад тока фотозатвора был преобладающим, и эффектом фотопроводимости можно было пренебречь из-за уменьшения количества фотогенерированных носителей [23]. Напротив, при более высоком освещении наблюдался рост тока, что можно было объяснить увеличением количества фотогенерированных электронов (эффект фотопроводимости). Более того, устройство было чувствительно к падающему свету, и возникающий фототок был тесно связан с энергией падающего света, что раскрывает огромный потенциал монитора оптической мощности. Сравнение оптоэлектронных параметров в различных фотоприемниках представлено в таблице 1.

Выводы

Таким образом, мы продемонстрировали высокоэффективный фотодетектор из графеновых нанолент, модулируемый в широком диапазоне внешним электрическим полем при комнатной температуре. Между тем, без внешнего электрического поля производительность устройства может быть улучшена за счет локализованного поля на Si / SiO ₂ интерфейс. Устройство показало высокую светочувствительность 800 AW ^-1 . в V _G =- 4 В, что на два порядка больше, чем в предыдущем исследовании. Кроме того, структура нашего устройства намного проще по сравнению с предыдущим оптоэлектронным устройством на основе графена с потенциально широким применением. Характеристики устройства на основе графеновых нанолент могут быть дополнительно улучшены за счет инкапсуляции h-BN, поверхностных плазмонов, сегнетоэлектрического поля и гибридных структур. Предлагаемый фотодетектор на основе графеновых нанолент открывает захватывающие возможности сверхбыстрой и высокой чувствительности для будущего мониторинга безопасности на основе графена, фотосвязи и авиационных приложений.