Динамическое управление отзывчивостью фото-детектора в устройствах на графиновых нанолентах

Аннотация

Графен демонстрировался перспективным материалом для оптоэлектроники и фото-детекторов благодаря ультраширокополосному оптическим поглощению и высокой подвижности носителей. Однако его интеграция с оптоэлектронными системами ограничена нулевой запрещенной зоной и отсутствием механизма усиления. В работе продемонстрирован новый фото-детектор на основе графиновых нанолент (GNR) с существенной запрещенной зоной. Используя зарядовые ловушки на границе SiO₂ и слабо легированного кремния, получен ультравысокий коэффициент усиления 22 400. Устройства показывают повышенную фотоотзывчивость (~800 А/Вт) при быстром времени отклика (до 10 мкс). Эта фотоотзывчивость примерно на два порядка выше предыдущих графеновых фото-детекторов. Фото-детектор демонстрирует широкий диапазон настройки через смещение источник-сток и задний затвор. Работа решает ключевые проблемы фото-детекторов и открывает путь к практическим графеновым фото-детекторам, внешне управляемым электрическим полем с быстрым откликом и высокой чувствительностью.

Введение

Графен, двухмерный (2D) слоистый материал, играет важную роль во многих областях: электродиализ [1], батареи [2], нанофильтрация [3], катализ [4], электромагнитная интерференция [5], оптоэлектроника. Особенно графен привлекает внимание своими новыми оптоэлектронными свойствами [6–9]: высокой подвижностью носителей [10, 11], нулевой запрещенной зоной [12–14], настраиваемым ферми-уровнем [15]. Поэтому графен считается привлекательным для оптоэлектронных применений [16–18]. Однако низкое поглощение (~2,3%) монослойного графена из-за его тонкости остается серьезным вызовом [19]. С другой стороны, нулевая запрещенная зона сильно ограничивает оптоэлектронные применения, вызывая короткое время жизни фотосгенерированных носителей (~пс) и быструю электрон-дырочную рекомбинацию [20, 21]. В результате дальнейшее улучшение отзывчивости pristine графенового фото-детектора остается сложной задачей, и разделение электронов и дыр для генерации эффективного фототока имеет большое значение.

Для преодоления этих вызовов изучены различные техники, и фотоотзывчивость графеновых фото-детекторов улучшалась. Фотогатевый эффект [22], обычно наблюдаемый в фото-детекторах на низкоразмерных материалах и их гибридных структурах, играет ключевую роль в высокой производительности. Опубликованы фото-детекторы на MoTe₂ [23] и MoS₂ [24] с фотогатевым эффектом, а также высокопроизводительные графеновые фото-детекторы с фотогатевым эффектом. Показано, что комбинация графена и квантовых точек PbS эффективна для усиления поглощения и достижения ультравысокого усиления в графеновом фото-детекторе [25]. Кроме того, рекомбинация электронов и дыр может быть минимизирована в фото-детекторах на гетероструктурах, например графен-Ta₂O₅-графен [26], где фотоиндуцированные пары электрон-дырка разделяются квантовым туннелированием, что сильно повышает фотоотзывчивость и усиление. Время отклика таких гибридных фото-детекторов серьезно увеличивалось из-за длительного времени захвата носителей в квантовых точках PbS или в туннельном барьере Ta₂O₅. Следовательно, острее нуждается графеновый фото-детектор с отличными характеристиками по отзывчивости, времени отклика и спектральному отклику.

Здесь предлагается фото-детектор на 20-нм графиновых нанолентах и демонстрируется его фотоотзывчивость (до 800 А/Вт) и быстрое время отклика (~10 мкс). Такая высокая производительность преимущественно обусловлена существенной запрещенной зоной в GNR, усиленной фотогатевым эффектом на границе кремний/оксид кремния (Si/SiO₂). Физический механизм детектора объяснен энергетическими зонными диаграммами. Кроме того, фото-детектор на GNR настраивается смещением источник-сток и задним затвором. Наблюдаемая высокая производительность существенно прокладывает путь к разработке высокочувствительных и ультрабыстрых графеновых фото-детекторов.

Экспериментальные методы

Графеновый лист эксфолирован на Si подложку (покрытую 300 нм SiO₂) из объемного графита (качество ZYA, SPI Supplies) методом микромеханического расщепления 3M-лентой. Графеновые наноленты шириной 20 нм изготовлены реактивно-ионной травкой (RIE, PE-3A) и электронно-лучевой литографией (EBL, Raith BV EBPG5150). После этого монослойный графен и GNR на SiO₂ диэлектрике охарактеризованы оптическим микроскопом и Рамановской спектроскопией (WITec Alpha 300R). Стандартная фото-литография и e-beam испарение Ti/Au (20 нм/80 нм) использовались для создания источник и сток электродов. Изготовлено 8 устройств (16 GNR), 5 показывают отличную производительность. Все измерения выполнены домашней системой: лазерный источник света, оптический чоппер, 4-пробная стадия, полупроводниковый параметрический анализатор. Использован слабо легированный кремний (P-тип 10–20 Ом·см) как подложка для усиления фотогатевого эффекта. Ti:Сапфировый видимый лазер ~632 нм генерировал лазерные импульсы на площади 6,25 мм² при комнатной температуре. Частота инцидентного света модулировалась оптическим чоппером 5–50 000 Гц. Мощность лазера регулировалась 0,34–5 мВт. Данные на рисунках (токи на рис. 1c, d, 2a–d, 3a, b, 4a–d, 5a, b) получены полупроводниковым параметрическим анализатором (Agilent B1500A) с и без освещения. Все фотоответные измерения в нормальных условиях.

а Схема GNR фото-детектора. Аналогичен FET с истоником и стоком на Si/SiO₂ подложке со слабо легированным Si в роли заднего затвора. Инцидентный свет модулируется оптическим чоппером переменной частоты. б SEM изображение GNR фото-детектора. в I-V характеристики GNR при разных задних затворах. Вставка: I-V в темноте (красная) и под освещением 10 Гц (синяя). г Ток источник-сток vs задний затвор при комнатной температуре. Вставка: схема зонной структуры GNR.

а Временнозависимые измерения фототока без смещения заднего затвора и источник-сток под модуляцией вкл/выкл света (632 нм) при комнатной температуре. Временной фототок при частоте лазера 40 Гц (б), 400 Гц (в), 5000 Гц (г). д Схема GNR фото-детектора. е Энергетическая диаграмма границы Si/SiO₂ под освещением. E_C, E_V, E_fs, E_VAC — проводимая зона, валентная зона, ферми-уровень, вакуумный уровень. E_f и E_f' — ферми-уровень до и после инъекции электрона в GNR канал. E_g' — запрещенная зона GNR. Два процесса: (I) электронный переход из валентной в проводимую зону под освещением в Si и SiO₂; (II) перенос дырки из SiO₂ в Si и дрейф фотовозбужденных носителей встроенным полем.

а Зависимость фототока от смещения источник-сток. Фототок, темновой ток и фотоответный ток GNR фото-детектора при смещении заднего затвора. Уменьшение фототока с ростом смещения источник-сток способствовало улучшению эффективности разделения фотосгенерированных пар электрон-дырка. б Зависимость фототока от заднего затвора. Зависимость фототока от заднего затвора при смещении источник-сток. Результаты показывают, что фототок может быть модулирован смещением источник-сток и заднего затвора.

Зависимость фотоотзывчивости от смещения источник-сток и заднего затвора. а и б — зависимость фотоотзывчивости и усиления от источник-сток, в и г — от заднего затвора.

а Временнозависимые измерения фототока под разной мощностью инцидентного света. б Мощностная зависимость свойств фототока. Результаты показывают, что GNR фото-детектор обладает высокой фоточувствительностью, детектируя мВт-уровень оптической мощности.

Результаты и обсуждение

GNRs ожидаются идеальными носителями для фото-детекции. Изготовленный GNR фото-детектор состоял из источник и сток электродов на Si/SiO₂ подложке со слабо легированным Si в роли заднего затвора (рис. 1а). Для обеспечения высокой подвижности и достаточно большой запрещенной зоны ширина GNR выбрана 20 нм. Полная структура GNR показана на SEM (рис. 1б), длина нанолент 2 мкм. В отличие от обычных фото-детекторов, слабо легированный Si выбран как подложка, так как его время жизни носителей намного длиннее, чем в сильно легированном Si [27].

Электрическая характеристика многократно повторялась, I-V_S-D на рис. 1в. Кривые при разных задних затворах (−10…10 В) нелинейны и асимметричны, указывая на внутреннее электрическое поле, возможно, от дефектов производства или Шотткиевского барьера на контактах. Внутреннее поле незначительно влияло на фототок GNR фото-детектора, что будет показано позже. Вставка — сравнение I-V в темноте и под освещением (лазер 10 Гц), демонстрирующее чувствительную оптическую коммутацию. Очевидно, I-V смещается при изменении V_G. Для выяснения влияния V_G на зарядоперенос GNR канала записаны передаточные характеристики в темноте при комнатной температуре (рис. 1г). I_D–V_G при V_SD=10 мВ показывает типичное поведение графенового фото-детектора, GNR действует как p-канал со сдвигом 20 В.

Для типичных оптоэлектронных систем время отклика фото-детектора (общее время подъема/спада от 10/90% до 90/10% пика импульса) определяет скорость и информационную емкость системы. Для изучения предельного времени отклика применяли оптические сигналы с частотами 40, 400, 50 000 Гц. Рис. 2б–г показывают соответствующие временно-разрешенные фототоки, интуитивно отражающие эффективную коммутацию с отличной повторяемостью. При 50 000 Гц время подъема измерено 10 мкс. Устройство, вероятно, работает на более высоких частотах >50 000 Гц, точное значение неизвестно из-за ограничений оборудования. GNR фото-детектор работает намного быстрее большинства графеновых и 2D TMD фото-детекторов [28–31]. Быстрая коммутация фототока атрибутируется ультравысокой подвижности носителей GNR такой ширины и сильному внешнему электрическому полю.

Помимо быстрого отклика, высокая отзывчивость и усиление необходимы для применения. Изучен фотоответ GNR фото-детектора без смещения источник-сток и заднего затвора под освещением всей площади при комнатной температуре. Рис. 2а — временнозависимые измерения фототока без смещения под модуляцией света. Наблюдаемый фототок 275 нА (I_{освещение}=293 нА, I_{темнота}=18 нА) давал высокую фотоотзывчивость R=17,2 А/Вт и усиление G=1465 по уравнениям:

R = I_P / (S_G/S_L · P) (1)

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

где I_P (275 нА) — фототок, S_L (6,25 мм²) и S_G (2 мкм×10 мкм) — площади лазера и GNR, P (5 мВт) — мощность лазера λ_in (532 нм). Важно исследовать механизм генерации фототока в GNR фото-детекторах для понимания высокой производительности. Для 2D материалов два основных механизма: фото-проводимый эффект (PC) и фото-voltaический эффект (PV) [32].

Без смещения источник-сток, PV отвечал за генерацию фототока, так как два встроенных электрических поля формировались между GNR и электродами. Поля имели разную величину из-за производственных дефектов. При попадании света в область Au-GNR интерфейса генерировались пары электрон-дырка, разделяемые встроенными полями, давая значительный вклад в фототок. Под смещением источник-сток встроенные поля на Au-GNR интерфейсе играли малую роль. Поэтому PC играл решающую роль при смещении. После поглощения фотонов GNR канал генерировал больше свободных носителей, снижая сопротивление каналов. Наблюдался значительный фототок I_P = V_OC/R_G (V_OC — открытое напряжение, R_G — полное сопротивление канала из 16 GNR).

На рис. 2а–г наблюдается мкА-уровень фототока, что может быть обусловлено тремя аспектами. Во-первых, рекомбинация электрон-дырочных пар снижена из-за запрещенной зоны в GNR. Во-вторых, фотосгенерированные электроны захватывались при переходе из валентной в проводимую зону среднезонными состояниями [33], индуцированными краевыми дефектами GNR. До рекомбинации с дырками, застрявшие электроны позволяли дыркам циркулировать между стоком и источником, формируя фототок и достигая высокого усиления. В-третьих, накопление электротов на границе SiO₂/Si эквивалентно приложению вертикального электрического поля, что сильно повышало проводимость канала. Кроме того, на рис. 2а–г полученный фототок мало зависел от частоты света, модулируемой чоппером, аналогично отчетам о MoS₂ фото-детекторах [24]. PC играл главную роль в генерации фототока при регулировке частоты чоппером. Однако при постоянном освещении (0 Гц) фотогатевый эффект был значим в процессе генерации носителей, приводя к захвату и рекомбинации в полупроводниках.

Детальный физический процесс третьего аспекта показан на рис. 2д, е. Для достижения равновесия в темноте электроны диффундировали из SiO₂ в Si из-за разницы ферми-уровней, вызывая изгиб зон на границе Si/SiO₂. Образулось сильное встроенное поле (E) в области истощения, эффективно разделявшее фотосгенерированные пары: электроны двигались к границе Si/SiO₂, дырки — в объем Si. Электроны накапливались на границе SiO₂/Si, эти застрявшие электроны создавали дополнительное отрицательное вертикальное напряжение на GNR, повышая концентрацию дырок и понижая ферми-уровень GNR канала.

Хотя устройство показывает высокую производительность, важно найти эффективные подходы для значительного усиления фототока и отзывчивости. Систематически изучены эффекты смещения источник-сток и заднего затвора на фототок. Рис. 3а — фототок (I_лазер), темновой ток (I_{темнота}), фотоответный ток (I_фото) как функции V_S-D (−3…10 В) при фиксированном заднем затворе. Фототок не нулевой при V_S-D=0 и нелинейно растет с V_S-D, также доказывая существование встроенного поля. Фототок сильно зависит от смещения источник-сток.

Убедительное объяснение настройки через источник-сток: I_{освещение} = I_фото + I_{темнота}, где I_фото и I_{темнота} растут с V_S-D, потому что дрейфовая скорость носителей растет, а время транзита уменьшается под внешним полем [34]. Следовательно, эффективность разделения фотосгенерированных носителей улучшается, давая большой фототок. Это показывает, что общее электрическое поле GNR канала (сумма внутреннего и внешнего) модулируется V_S-D.

Кроме того, учитывая затворно-настраиваемую плотность носителей GNR, фототок эффективно регулировался модуляцией заднего затвора. Рис. 3б — три тока (I_{освещение}, I_фото, I_{темнота}) как функции V_G (−5…5 В) при V_S-D=0. В общем, фототок положительно коррелирует с абсолютным значением V_G, так как плотность носителей GNR чувствительна к внешнему вертикальному полю. Интересно: фототок рос при увеличении V_G в отрицательной области (−5…0 В), и наоборот — в положительной (0…5 В). Это объясняется p-типовым поведением GNR канала, согласуется с рис. 2г. Увеличение |V_G| настраивает ферми-уровень канала ближе к валентной (или проводимой) зоне, проводимость канала затворно-настраиваема. Важно: для обоих методов модуляции (источник-сток и задний затвор) настройка фототока продемонстрирована в ультрашироком диапазоне от нА до мкА.

Дополнительно, отзывчивость и усиление также эффективно модулировались регулировкой заднего затвора и смещения источник-сток. Усиление и фотоотзывчивость по смещению источник-сток рассчитаны [по (1), (2)] и построены на рис. 4а, б. Для GNR фото-детектора связь усиления и V_S-D:

G = τ/τ_T = τ / (l²/(μV_S-D)) = τμV_S-D/l² (3)

где τ — избыточное время жизни дырки (время жизни застрявшей дырки), τ_T = l²/(μV_S-D) — время транзита носителя, l — длина канала, μ — подвижность, V_S-D — смещение источник-сток. Следовательно, усиление и источник-сток положительно коррелируют. G линейно зависит от V_S-D. Максимальная фотоотзывчивость R=170 А/Вт и усиление G=14 500 достигнуты при комнатной температуре при V_S-D=0,5 В — 100-кратное улучшение над предыдущими графеновыми наноструктурными фото-детекторами [26, 35, 36]. Важно: значения усиления и отзывчивости не насыщались. Следовательно, более высокие значения достижимы при большем V_S-D.

Рис. 4в, г — фотоотзывчивость и усиление также усиливаются задним затвором для повышения концентрации носителей GNR. Максимальная фотоотзывчивость R=800 А/Вт и усиление G=22 400 получены при V_G=−4 В. Это максимальное значение в пять порядков выше чистых графеновых фото-детекторов (~10 мА/Вт) [37]. Усиление и отзывчивость не насыщались, более высокие значения достижимы большим задним затвором. Помимо концентрации носителей, другой важный фактор, влияющий на ток канала — контактное сопротивление (R_C) между Au электродами и GNR, неразрывно связанное с высотой Шотткиевского барьера на границе [34]. Поскольку GNR служит p-каналом, при отрицательном V_G высота барьера Шоттки снижается из-за понижения ферми-уровня. При положительном V_G барьер повышается, ток в канале сильно подавляется.

Наконец, временнозависимое исследование фототока под инцидентным светом разной мощности. Рис. 5а — временнозависимые измерения фототока под разной мощностью. Фототок достаточно велик для прямого измерения без предварительных усилителей или локин-усилителей даже при мВт-уровне оптической мощности. Рис. 5б — фототок как функция инцидентной оптической мощности. Фототок имел нелинейную связь с мощностью (I_фото = P^α, α=0,85). При низкой мощности доминировал вклад фотогатевого тока, фото-проводимый эффект можно игнорировать из-за уменьшения числа фотосгенерированных носителей [23]. При более высоком освещении наблюдался растущий ток, атрибутируемый увеличению числа фотосгенерированных электронов (фото-проводимый эффект). Устройство чувствительно к инцидентному свету, фототок тесно связан с энергией света, раскрывая огромный потенциал для мониторинга оптической мощности. Сравнение оптоэлектронных параметров различных фото-детекторов в таблице 1.

Заключение

Подытоживая, продемонстрирован высокопроизводительный графеновый наноленточный фото-детектор, модулируемый в широком диапазоне внешним электрическим полем при комнатной температуре. Без внешнего поля производительность усиливается локальным полем на границе Si/SiO₂. Устройство показало фотоотзывчивость 800 А/Вт при V_G=−4 В, на два порядка выше предыдущих исследований. Структура устройства намного проще предыдущих графеновых оптоэлектронных устройств с потенциально широкими применениями. Производительность GNR устройства может быть дополнительно улучшена h-BN инкапсуляцией, поверхностными плазмонами, ферроэлектрическим полем и гибридными структурами. Предложенный GNR фото-детектор открывает захватывающие возможности для ультрабыстрых и высокочувствительных будущих графеновых систем мониторинга безопасности, фото-коммуникаций и авиационных применений.