그래핀 나노리본 광검출기에서 고역 광반응의 동적 제어

결과 및 토론

GNR은 광검출에 이상적인 캐리어가 될 것으로 예상됩니다. 우리가 제작한 GNR 광검출기는 Si/SiO₂의 소스 전극과 드레인 전극으로 구성되었습니다. 그림 1a에 개략적으로 표시된 것처럼 백 게이트 역할을 하는 약하게 도핑된 실리콘 웨이퍼가 있는 기판. 높은 이동성을 보장하고 동시에 충분히 큰 밴드갭을 얻기 위해 그래핀 나노리본의 너비는 적당한 20nm로 선택되었습니다. GNR의 완전한 구조는 주사전자현미경 이미지(Fig. 1b)에 나타나 있으며, 그래핀 나노리본의 길이는 2μm이다. 기존의 광검출기와 달리 약하게 도핑된 Si는 캐리어 수명이 고농도로 도핑된 Si보다 훨씬 길기 때문에 기판으로 채택되었습니다[27].

전기적 특성화는 반복적으로 수행되었고 결과적으로 I-V _{S − 디} 관계는 그림 1c에 표시됩니다. -10V ~ 10V 범위의 다양한 백 게이트 전압에서 곡선은 비선형 및 비대칭이며, 내부 전기장의 존재를 나타내며, 이는 제조로 인한 결함 또는 전극 접점의 쇼트키 장벽으로 인해 발생할 수 있습니다. . 내부 전기장은 GNR 광검출기의 광전류에 무시할 수 없는 영향을 미쳤으며, 이는 나중에 설명합니다. 삽입된 그림은 어두운 곳과 조명(주파수 10Hz의 레이저 펄스 적용)에서 장치의 I-V 특성을 비교한 것으로 민감한 광학 스위칭 조정 가능성을 나타냅니다. 분명히 I-V 곡선은 V _G 변화 있는. V_{G의 효과를 더 알아보려면} GNR 채널의 전하 수송 특성에서 암 상태에서의 전달 특성은 그림 1d와 같이 상온에서 기록되었다. 측정된 나 _디 – V _G V에서의 곡선 _SD =10mV는 우리 장치가 그래핀 기반 광검출기의 일반적인 동작을 표시하고 GNR이 20V의 이동으로 p형 채널로 작동함을 보여주었습니다.

일반적인 광전자 시스템의 경우 광검출기의 응답 속도(출력이 펄스 피크의 10(90)%에서 90(10)%까지 상승(하강)하는 데 필요한 총 시간으로 특성화됨)는 실행 속도와 정보 용량을 결정합니다. 광검출 시스템. 제작된 소자의 궁극적인 응답시간을 조사하기 위해 40Hz, 400Hz, 50,000Hz의 서로 다른 펄스 주파수를 갖는 입력 광신호를 인가하였다. 그림 2b-d는 해당 시간 분해 총 광전류를 보여주며, 이는 제작된 광검출기가 우수한 반복성으로 효율적으로 켜고 끌 수 있음을 직관적으로 반영합니다. 또한, 레이저 주파수를 50,000Hz로 조정했을 때 상승 시간은 10μs로 측정되었다. 우리는 우리 장치가 50,000Hz 이상의 더 높은 주파수에서 작동할 것으로 예상하고 측정 장비의 한계로 인해 응답 속도의 정확한 값이 명확하지 않다고 생각합니다. GNR 광검출기는 그래핀 및 기타 2D TMD를 기반으로 하는 대부분의 광검출기보다 훨씬 빠르게 실행됩니다[28,29,30,31]. 빠른 광전류 스위칭은 그러한 폭의 GNR의 매우 높은 캐리어 이동성과 강한 외부 전기장에 기인할 수 있다고 믿어집니다.

광검출기의 적용에는 빠른 응답 속도와 더불어 높은 응답성과 향상된 이득이 필수적입니다. 따라서 우리는 실온에서 전체 소자에 빛을 가함으로써 소스-드레인 바이어스 및 백 게이트 전압이 없는 GNR 광검출기의 광 응답을 추가로 연구했습니다. 그림 2a는 온-오프 광 변조에서 바이어스된 전압이 없을 때 장치의 시간 종속적 광전류 측정값을 보여줍니다. 관찰된 광전류는 275nA(I _조명 =293 nA, 나 _어두운 =18 nA) 조명 하에서 R의 높은 광반응성을 나타냄 =17.2AW ⁻¹ 및 G의 높은 이득 =1465도 다음 두 방정식을 통해 계산됩니다.

나 _피 (275 nA)는 광전류이고 S는 _엘 (6.25mm ² ) 및 S _G (2 μm×10 μm)는 각각 레이저와 GNR의 실제 면적이며, P (5 mW)는 파장이 λ인 입사 레이저의 출력입니다. _에서 (532 nm). 우리 장치의 고성능을 명확히 하기 위해 GNR 광검출기의 광전류 생성 메커니즘을 탐구하는 것이 필수적입니다. 2차원 물질을 기반으로 한 광검출기의 경우 주로 두 가지 광전류 생성 메커니즘, 즉 광전도 효과(PC)와 광기전 효과(PV)가 있습니다[32].

소스-드레인 바이어스를 적용하지 않으면 PV는 GNR과 전극 사이에 두 개의 내장 전기장이 형성됨에 따라 광전류 생성을 담당했습니다. 두 전기장은 제조 과정에서 형성된 결함으로 인해 크기가 같지 않았습니다. 빛이 Au-GNRs 인터페이스 영역에 도달하면 광 생성 전자-정공 쌍이 생성된 후 내장 필드에 의해 분리되어 광전류 생성에 상당한 기여를 했습니다. 그러나 소스-드레인 바이어스에서 Au-GNR 인터페이스의 두 내장 전기장은 광전류 생성에 거의 역할을 하지 않았습니다. 따라서 PC는 소스-드레인 바이어스를 적용하는 경우 광전류 생성에 가장 중요한 역할을 한다. 광자를 흡수한 후 GNR 채널은 더 많은 자유 캐리어를 생성하여 캐리어 채널의 저항을 줄였습니다. 따라서 상당한 광전류 I _피 =\( \frac{V_{OC}}{R_G} \)( V _OC 개방 회로 전압을 나타내고 R _G 는 16개의 그래핀 나노리본에 의해 형성된 채널의 총 저항)이 관찰되었습니다.

그림 2a-d에서 볼 수 있듯이 μA -레벨 광전류가 관찰되었으며 이는 세 가지 측면의 기여로 인한 것일 수 있습니다. 하나는 GNR의 밴드갭으로 인해 전자-정공 쌍 재결합 속도가 감소했다는 것입니다. 다른 하나는 GNR의 에지 결함에 의해 유도된 중간 갭 상태[33]에 의해 가전자대에서 전도대로 전이하는 동안 광 생성된 전자가 포착되었다는 것입니다. 따라서 정공과 트랩된 전자가 재결합되기 전에 정공이 드레인-소스 전극 사이를 순환하여 광전류를 형성하여 높은 이득을 얻을 수 있습니다. 세 번째 측면은 SiO₂에서 전자의 축적이 /Si 계면은 수직 전기장을 인가하는 것과 동일하여 채널의 전도도가 크게 향상되었습니다. 또한, 그림 2a-d에서 얻은 광전류는 보고된 MoS₂와 유사한 광 초퍼에 의해 변조된 입사광의 주파수에 거의 의존하지 않았습니다. 광검출기[24]. 광전도 효과는 초퍼에 의해 빛의 주파수가 조절될 때 GNR 광검출기의 광전류 생성에 주요 역할을 했습니다. 그러나 소자가 빛(0Hz)에 노출되면 캐리어 생성 과정에서 포토게이팅 효과가 상당하여 반도체 내에서 트래핑 및 재결합이 발생합니다.

위에서 논의한 세 번째 측면의 상세한 물리적 프로세스는 그림 2e, f에 나와 있습니다. 어둠 속에서 평형 상태를 달성하기 위해 전자는 SiO₂에서 확산됩니다. Si/SiO₂에서 에너지 밴드 굽힘으로 이어지는 두 재료 사이의 페르미 준위 차이로 인해 Si에 상호 작용. 그 결과, 공핍 영역에 강한 내장 전기장(E)이 형성되어 Si와 SiO2 사이의 계면으로 전자가 이동하여 광 생성된 전자-정공 쌍을 효율적으로 분리했습니다. 홀이 Si의 내부 영역으로 이동하는 동안. 전자는 SiO₂에 축적됩니다. /Si 인터페이스 및 이러한 트랩된 전자는 GNR에 추가적인 음의 수직 전압을 적용했으며, 여기서 이러한 전자의 존재는 정공 농도를 증가시키고 그에 따라 GNR 채널의 페르미 준위를 낮췄습니다.

장치가 고성능을 나타내지만 광전류와 장치의 응답성을 크게 향상시키기 위해 몇 가지 효과적인 접근 방식을 찾는 것이 중요합니다. 그런 다음 소스-드레인 바이어스와 게이트 전압이 광전류에 미치는 영향을 체계적으로 조사했습니다. 그림 3a는 광전류(I _레이저 ), 배경 전류(I _어두운 ) 및 광응답 전류(I _ph ) 소스-드레인 전압의 함수로서의 측정(− 3 V ≤V _{S − 디} ≤ 10V) 고정 게이트 전압에서. 광전류는 V에서 0이 아니었습니다. _{S − 디} =0이고 소스-드레인 전압에 따라 비선형적으로 증가하여 내장 전기장의 존재를 증명합니다. 광전류 값이 소스-드레인 바이어스에 크게 의존한다는 것이 분명합니다.

소스-드레인 전압을 통한 조정 가능성에 대한 설득력 있는 설명은 광전류, 배경 전류 및 광응답 전류 사이의 관계가 I로 표현될 수 있다는 것입니다. _조명 =나 _ph + 나 _어두운 , 여기서 나 _ph 그리고 나 _어두운 드레인-소스 전압 V로 증가 _{S − 디} 외부 전기장에서 캐리어의 드리프트 속도가 증가하고 캐리어 이동 시간이 감소하기 때문입니다[34]. 따라서 광발생 캐리어의 분리 효율이 향상되어 큰 광전류에 크게 기여합니다. 이러한 현상은 내부 전기장과 외부 전기장의 합인 GNR 채널의 전체 전기장이 V에 의해 변조될 수 있음을 나타냅니다. _{S − 디} .

또한 GNR의 게이트 조정 가능한 캐리어 밀도를 고려하여 백 게이트 전압을 변조하여 장치의 광전류를 효과적으로 조정했습니다. 그림 3b는 이러한 세 종류의 전류(I _조명 , 나 _ph 그리고 나 _어두운 ) 백 게이트 전압의 함수(− 5 V ≤ V_G ≤ 5V) V에서 _{S − 디} =0. 일반적으로 GNR의 캐리어 밀도가 외부 수직 전계에 민감하기 때문에 광전류는 게이트 전압의 절대값과 양의 상관관계가 있었다. 흥미롭게도 게이트 전압이 음(-5V ≤V_{G)일 때 게이트 전압이 증가할수록 광전류가 증가합니다.} ≤ 0 V), 게이트 전압이 양(0 V ≤V_{G)일 때 반대 현상이 발생했습니다.} ≤ 5V). 이 현상은 그림 2d의 관찰과 잘 일치하는 GNR 채널의 p형 거동으로 설명할 수 있습니다. 결과는 증가된 |V_G | 가전자대(또는 전도대)에 더 가까운 채널의 페르미 레벨을 조정할 수 있고 GNR 채널의 컨덕턴스는 게이트 조정 가능했습니다. 특히, 두 가지 변조 방식(소스-드레인 전압 및 백 게이트 전압) 모두에서 광전류의 조정 가능성은 nA 수준에서 μA 수준까지 매우 넓은 범위에서 입증되었습니다.

또한 GNR 광검출기의 게이트 전압과 소스-드레인 전압을 조절하여 응답성과 이득을 효율적으로 변조할 수도 있습니다. 소스-드레인 바이어스의 이득 및 광응답 의존성이 계산되었다[Eqs. (1) 및 (2)] 이후에 그림 4a, b에 표시됩니다. GNR 기반 광검출기의 경우 이득과 V 간의 관계 _{S − 디} 다음 공식으로 제공됩니다.

여기서 τ 는 초과 홀 수명(트랩 홀 수명)이고 τ _T =나 ² /(μV _{S − 디} )는 운송업체의 운송 시간이고 l은 채널의 길이이며 μ 는 캐리어 이동성인 반면 V _{S − 디} 소스-드레인 바이어스입니다. 따라서 이득과 소스-드레인 전압은 양의 상관관계를 나타냅니다. 분명히, G 소스-드레인 바이어스에 선형적으로 의존합니다. 결과적으로 R의 최대 감광도는 =170AW ⁻¹ 최대 이득 G =14,500은 V의 실온에서 달성되었습니다. _{S − 디} =0.5 V, 이는 이전의 그래핀-나노구조 기반 광검출기보다 100배 개선된 것입니다[26, 35, 36]. 더 중요한 것은 게인과 감광도 값이 포화되지 않았다는 것입니다. 결과적으로 더 큰 드레인-소스 전압이 인가되면 더 높은 이득과 광응답을 얻을 수 있습니다.

그림 4c, d는 GNR의 캐리어 농도를 개선하기 위해 백 게이트 바이어스를 적용함으로써 광응답성과 이득도 향상될 수 있음을 보여줍니다. R의 최대 감광도 =800AW ⁻¹ 최대 이득 G =22400은 V_{G에서 얻었습니다.} =- 4 V. 이 최대 광감응도 값은 순수 그래핀 광검출기(~ 10 mAW ⁻¹ ) [37]. 또한 게인과 광응답이 모두 포화되지 않았으므로 더 큰 백 게이트 전압을 적용하여 더 높은 광응답을 얻을 수 있습니다. 캐리어 농도 외에도 채널 전류에 크게 영향을 미치는 또 다른 요소는 접촉 저항(R _C ) Au 전극과 GNR 사이는 인터페이스에서 쇼트키 장벽 높이와 불가분의 관계가 있습니다[34]. GNR이 p형 채널 역할을 하므로 음수 V 적용 시 _G , 낮은 페르미 준위로 인해 쇼트키 장벽 높이가 감소했습니다. 대조적으로, V _G 양의 값으로 증가하고 쇼트키 장벽 높이가 향상되었으며 채널의 전류가 크게 억제되었습니다.

마지막으로 입사광에서 광전류의 시간 의존성 조사로 넘어갑니다. 그림 5a는 다양한 입사광 전력에서 시간에 따른 광전류 측정값을 보여줍니다. 이 광전류는 mW 수준의 광전력에서도 전류 전치 증폭기나 고정 증폭기 없이 직접 측정할 수 있을 만큼 충분히 컸습니다. 그림 5b는 입사 광출력의 함수로 광전류를 표시합니다. 광전류는 입사 전력(I _ph =P ^α , α =0.85). 저조도에서 광 게이트 전류의 기여가 지배적이었고 광 생성 캐리어의 수 감소로 인해 광전도 효과가 무시될 수 있었다[23]. 반대로, 더 높은 조명 조명에서는 전류가 증가하는 것이 관찰되었으며, 이는 광 발생 전자의 수가 증가했기 때문일 수 있습니다(광전도 효과). 또한, 소자는 입사광에 민감하고 결과 광전류는 입사광 에너지와 밀접한 관련이 있어 광 파워 모니터의 엄청난 잠재력을 드러냈습니다. 다양한 광검출기의 광전자 매개변수 비교가 표 1에 나와 있습니다.