그래핀 나노리본 소자에서 포토디텍터 감도의 동적 제어

요약

그래핀은 초광대역 광흡수와 높은 캐리어 이동도로 인해 광전자 및 포토디텍션 장치에 유망한 물질로 입증되었습니다. 그러나 제로 밴드갭과 이득 메커니즘 부재로 인해 광전자 시스템과의 통합이 제한되어 왔습니다. 본 연구에서는 크기 있는 밴드갭을 가진 그래핀 나노리본(GNR) 기반 새로운 포토디텍터를 시연합니다. SiO₂와 저농도 도핑 실리콘 계면에서 트래핑 전하를 활용하여 22,400의 초고이득을 얻었습니다. 우리 장치는 향상된 포토응답도(~800 AW⁻¹)를 보이면서 응답 속도도 빠릅니다(최대 10 μs). 이 포토응답도는 이전 그래핀 기반 포토디텍터보다 약 2배 높은 주문입니다. 포토디텍터는 소스-드레인 바이어스와 백 게이트 전압을 통해 넓은 범위 튜닝이 가능합니다. 본 연구는 포토디텍터의 핵심 과제를 해결하며 빠른 응답 속도와 높은 감도로 전기장에 의해 외부에서 조작 가능한 그래핀 포토디텍터의 실용적 응용을 위한 바람직한 경로를 잠재적으로 제공합니다.

서론

2차원(2D) 층상 물질인 그래핀은 전기투석[1], 배터리[2], 나노여과[3], 촉매[4], 전자기 간섭[5], 광전자공학[6] 등 많은 분야에서 중요한 역할을 합니다. 특히 그래핀은 새로운 광전자적 특성[6-9]으로 많은 주목을 받아왔습니다. 예를 들어 높은 캐리어 이동도[10,11], 제로 밴드갭[12-14], 조절 가능한 페르미 준위[15] 등입니다. 따라서 그래핀은 광전자 응용에 매력적인 물질로 간주되어 왔습니다[16-18]. 그러나 단일층 그래핀의 얇은 두께로 인한 낮은 흡수율(~2.3%)은 여전히 중요한 과제입니다[19]. 한편 제로 밴드갭 특성은 광전자 응용을 심각하게 제한하여 짧은 광생성 캐리어 수명(~ps)과 빠른 전자-정공 재결합을 초래합니다[20,21]. 결과적으로 순수 그래핀 포토디텍터의 응답도 추가 향상은 여전히 도전적이며, 전자와 정공을 분리하여 효율적인 광전류를 생성하는 것이 매우 중요합니다.

이러한 과제를 극복하기 위해 다양한 기술이 탐구되었고 그래핀 기반 포토디텍터의 포토응답도가 향상되었습니다. 포토게이팅 효과[22]는 저차원 물질 및 혼성 구조 기반 포토디텍터에서 일반적으로 관찰되며 포토디텍터 고성능에 필수적 역할을 합니다. MoTe₂[23]와 MoS₂[24] 기반 포토디텍터가 포토게이팅 효과를 이용해 보고되었으며, 포토게이팅 효과를 활용한 우수한 성능의 그래핀 기반 포토디텍터도 달성되었습니다. 그래핀과 PbS 양자점 결합이 빛 흡수 향상과 그래핀 포토디텍터에서 초고이득 달성에 효과적임이 입증되었습니다[25]. 또한 이종구조 기반 포토디텍터에서 전자-정공 재결합을 최소화할 수 있습니다. 예를 들어 그래핀-Ta₂O₅-그래핀[26]에서 광유도 전자-정공 쌍이 양자 터널링 효과로 분리되어 포토응답도와 이득이 크게 향상되었습니다. 그러나 이러한 혼성 구조 포토디텍터의 응답 시간은 PbS 양자점이나 Ta₂O₅ 터널 장벽 내 캐리어 장시간 트래핑으로 심각하게 증가했습니다. 따라서 그래핀 기반 포토디텍터가 응답도, 응답 시간, 스펙트럼 응답에서 우수한 성능을 달성하는 것이 시급합니다.

여기서 우리는 20 nm 폭 그래핀 나노리본 기반 포토디텍터를 제안하고 포토응답도(최대 800 AW⁻¹)와 빠른 응답 속도(~10 μs)를 시연합니다. 이러한 높은 성능은 주로 GNR의 크기 있는 밴드갭에 기인하며, 실리콘/산화 실리콘(Si/SiO₂) 계면에서 포토게이팅 효과로 강화됩니다. 검출기의 물리적 메커니즘은 에너지 밴드 다이어그램으로 설명했습니다. 또한 GNR 기반 포토디텍터는 소스-드레인 및 백 게이트 전압으로 튜닝 가능합니다. 관찰된 높은 성능은 고응답도 및 초고속 그래핀 포토디텍터 개발을 위한 길을 실질적으로 열어줍니다.

실험 방법

그래핀 시트를 3M 테이프 미세 기계적 박리 기술로 흑연 벌크(grade ZYA, SPI Supplies)에서 Si 기판(300 nm SiO₂ 피복) 위로 박리했습니다. 반응성 이온 식각(RIE, PE-3A)과 전자빔 리소그래피(EBL, Raith BV EBPG5150)로 20 nm 폭 그래핀 나노리본을 제작했습니다. 이후 단일층 그래핀과 SiO₂ 유전체 위 GNR을 광학 현미경과 라만 분광법(WITec Alpha 300R)으로 특성화했습니다. 표준 포토리소그래피와 Ti/Au(20 nm/80 nm) 전자빔 증착으로 소스 및 드레인 전극을 만들었습니다. 8개 장치(16 GNR)를 제작했으며 그중 5개가 우수한 성능을 보였습니다. 모든 측정은 레이저 광원, 광학 초퍼, 4-프로브 스테이지, 반도체 파라미터 분석기로 구성된 자체 제작 시스템을 통해 수행되었습니다. 포토게이팅 효과 강화를 위해 저농도 도핑 실리콘(P-type 10-20 Ω·cm) 기판을 사용했습니다. 실온에서 632 nm 파장 Ti:Sapphire 가시 레이저로 6.25 mm² 영역 내 레이저 펄스를 생성했습니다. 입사광 주파수는 광학 초퍼로 5 Hz-50000 Hz 범위에서 변조되었습니다. 또한 입사 레이저 파워는 0.34 mW-5 mW로 조절 가능했습니다. 그림에 표시된 데이터(전류: 그림 1c, d, 2a-d, 3a, b, 4a-d, 5a, b)는 조명 유무와 관계없이 반도체 파라미터 분석기(Agilent, B1500A)에서 얻었습니다. 모든 포토응답 측정은 상온 상압 조건에서 수행되었습니다.

결과 및 논의

GNR은 포토디텍션을 위한 이상적 캐리어로 기대됩니다. 우리가 제작한 GNR 포토디텍터는 가볍게 도핑된 실리콘 웨이퍼가 백 게이트로 작용하는 Si/SiO₂ 기판 위 소스 및 드레인 전극으로 구성되었으며, 그림 1a에 개략적으로 나타냈습니다. 높은 이동도와 충분히 큰 밴드갭을 동시에 확보하기 위해 그래핀 나노리본 폭을 적당한 20 nm로 선택했습니다. GNR 완전 구조는 주사 전자 현미경 이미지(그림 1b)에 나와 있으며 그래핀 나노리본 길이는 2 μm였습니다. 기존 포토디텍터와 달리 가볍게 도핑된 Si를 기판으로 채택한 이유는 캐리어 수명이 고농도 도핑 Si보다 훨씬 길기 때문입니다[27].

전기적 특성 분석을 반복 수행했으며 결과적인 I-V_S-D 관계를 그림 1c에 플롯했습니다. -10 V~10 V 범위에서 다른 백 게이트 전압 하 곡선들이 비선형적이고 비대칭적이며 내부 전기장 존재를 나타내며, 이는 제작 유도 결함이나 전극 접촉 쇼트키 장벽 결과일 수 있습니다. 내부 전기장은 GNR 포토디텍터 광전류에 무시할 수 없는 영향을 미치며 나중에 설명하겠습니다. 삽입도는 어두운 상태와 조명(10 Hz 주파수 레이저 펄스 적용) 하 장치 I-V 특성 비교를 보여주며 민감한 광학 스위칭 튜닝 가능성을 나타냅니다. 분명히 I-V 곡선이 V_G 변화에 따라 이동했습니다. V_G가 GNR 채널 전하 수송 특성에 미치는 영향을 더 파악하기 위해 어두운 상태에서 실온 전달 특성을 기록했으며 그림 1d에 나타냈습니다. V_SD = 10 mV에서 측정된 I_D-V_G 곡선은 우리 장치가 그래핀 기반 포토디텍터 전형적 거동을 보이며, GNR이 20 V 이동으로 p-타입 채널로 작용함을 보여줍니다.

일반적인 광전자 시스템에서 포토디텍터 응답 속도(출력이 펄스 피크 10(90)%에서 90(10)%로 상승(하강)하는 데 필요한 총 시간으로 특성화)는 포토디텍션 시스템 작동 속도와 정보 용량을 결정합니다. 제작 장치의 궁극적 응답 시간을 조사하기 위해 40 Hz, 400 Hz, 50000 Hz 다른 펄스 주파수 입력 광신호를 적용했습니다. 그림 2b-d는 해당 시간 분해 총 광전류를 보여주며 제작 포토디텍터가 우수한 반복성으로 효율적으로 온/오프 스위칭될 수 있음을 직관적으로 반영합니다. 또한 레이저 주파수가 50000 Hz로 조정되었을 때 상승 시간이 10 μs로 측정되었습니다. 우리 장치가 50000 Hz 이상 더 높은 주파수에서 작동할 것으로 기대되며, 측정 장비 한계로 정확한 응답 속도 값은 불명확합니다. GNR 포토디텍터가 그래핀 및 다른 2D TMDs 기반 대부분 포토디텍터보다 훨씬 빠르게 작동함이 주목됩니다[28-31]. 이러한 빠른 광전류 스위칭은 해당 폭 GNR의 초고 캐리어 이동도와 강한 외부 전기장에 기인한다고 믿습니다.

빠른 응답 속도 외에 높은 응답도와 향상된 이득은 포토디텍터 응용에 필수적입니다. 따라서 상온에서 소스-드레인 바이어스와 백 게이트 전압 없이 전체 장치에 빛을 조사하여 GNR 포토디텍터 포토응답을 추가 연구했습니다. 그림 2a는 바이어스 전압 없이 온-오프 빛 변조 하 장치 시간 의존 광전류 측정을 보여줍니다. 관측된 광전류는 275 nA(I_illumination = 293 nA, I_dark = 18 nA)로 높은 포토응답도 R = 17.2 AW⁻¹와 높은 이득 G = 1465를 나타냈으며, 다음 두 방정식으로 계산했습니다:

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)

여기서 I_P(275 nA)는 광전류, S_L(6.25 mm²)과 S_G(2 μm×10 μm)는 실제 레이저 영역과 GNR 영역, P(5 mW)는 입사 레이저 파워(λ_in = 532 nm)입니다. GNR 포토디텍터 광전류 생성 메커니즘을 탐구하여 장치 높은 성능을 명확히 하는 것이 필수적입니다. 2차원 물질 기반 포토디텍터에는 주로 광전도 효과(PC)와 광기전력 효과(PV) 두 가지 광전류 생성 메커니즘이 있습니다[32].

소스-드레인 바이어스 적용 없이 GNR과 전극 간 형성된 두 내장 전기장으로 인해 PV가 광전류 생성에 책임이 있었습니다. 두 전기장은 제작 공정 결함으로 인해 크기가 달랐습니다. 빛이 Au-GNR 계면 영역에 도달하면 광생성 전자-정공 쌍이 생성되고 내장 전기장에 의해 분리되어 광전류 생성에 상당한 기여를 했습니다. 그러나 소스-드레인 바이어스 하에서 Au-GNR 계면 두 내장 전기장은 광전류 생성에 거의 역할을 하지 않았습니다. 따라서 소스-드레인 바이어스 적용 시 PC가 광전류 생성에 가장 중요한 역할을 했습니다. 광자 흡수 후 GNR 채널이 더 많은 자유 캐리어를 생성하여 캐리어 채널 저항을 감소시켰습니다. 따라서 상당한 광전류 I_P = V_OC/R_G(V_OC는 개방 회로 전압, R_G는 16개 그래핀 나노리본으로 형성된 채널 총 저항)가 관찰되었습니다.

그림 2a-d에서 볼 수 있듯 μA 수준 광전류가 관찰되었는데, 이는 세 가지 측면 기여 때문일 수 있습니다. 하나는 GNR 밴드갭으로 인해 전자-정공 쌍 재결합 비율이 감소한 것입니다. 다른 하나는 GNR 모서리 결함에 의해 유도된 미드갭 상태[33]가 원자가 밴드에서 전도 밴드로 전이 중 광생성 전자들을 포착한 것입니다. 따라서 정공과 포착된 전자가 재결합하기 전 정공이 드레인-소스 전극 사이를 순환하여 광전류를 형성하여 높은 이득을 달성했습니다. 세 번째 측면은 SiO₂/Si 계면 전자 축적이 수직 전기장 적용과 동등하여 채널 전도도를 크게 향상시킨 것입니다. 또한 그림 2a-d에서 광학 초퍼로 변조된 입사광 주파수에 대한 광전류 의존성이 거의 없었으며, 이는 보고된 MoS₂ 포토디텍터[24]와 유사합니다. 광학 초퍼로 빛 주파수가 조절될 때 광전도 효과가 GNR 포토디텍터 광전류 생성에 주요 역할을 했습니다. 그러나 장치가 빛에 노출될 때(0 Hz) 포토게이팅 효과가 캐리어 생성 과정에서 중요해져 반도체 내 트래핑과 재결합을 유도했습니다.

위에서 논의한 세 번째 측면의 상세 물리적 과정은 그림 2e, f에 시연되었습니다. 어두운 상태에서 평형 상태 달성 위해 페르미 준위 차이로 전자들이 SiO₂에서 Si로 확산되어 Si/SiO₂ 계면에서 에너지 밴드 밴딩을 초래했습니다. 결과적으로 강한 내장 전기장(E)이 고갈 영역에 형성되어 광생성 전자-정공 쌍을 효율적으로 분리시켰으며 전자들은 Si와 SiO₂ 계면으로, 정공들은 Si 내부 영역으로 이동했습니다. 전자들이 SiO₂/Si 계면에 축적되어 GNR에 추가 음 수직 전압을 가했고, 이 전자들 존재로 정공 농도 증가와 GNR 채널 페르미 준위 낮아짐이 일어났습니다.

장치가 높은 성능을 보이지만 광전류와 응답도를 현저히 높이기 위한 여러 효과적 접근법을 찾는 것이 중요합니다. 그런 다음 소스-드레인 바이어스와 게이트 전압이 광전류에 미치는 영향을 체계적으로 조사했습니다. 그림 3a는 고정 게이트 전압에서 소스-드레인 전압(-3 V ≤ V_S-D ≤ 10 V) 함수로 광전류(I_laser), 배경 전류(I_dark), 포토응답 전류(I_ph) 측정 결과를 보여줍니다. 광전류는 V_S-D = 0에서 0이 아니었고 소스-드레인 전압과 함께 비선형적으로 증가했으며 내장 전기장 존재를 추가로 입증했습니다. 광전류 값이 소스-드레인 바이어스에 강하게 의존함이 명확합니다.

소스-드레인 전압을 통한 튜닝 가능성에 대한 설득력 있는 설명은 광전류, 배경 전류, 포토응답 전류 관계가 I_illumination = I_ph + I_dark로 표현될 수 있으며, I_ph와 I_dark가 드레인-소스 전압 V_S-D 증가에 따라 증가하는 이유는 외부 전기장 하에서 캐리어 드리프트 속도 상승과 캐리어 이동 시간 감소 때문입니다[34]. 따라서 광생성 캐리어 분리 효율이 향상되어 큰 광전류에 크게 기여합니다. 이러한 현상은 GNR 채널 총 전기장(내부 전기장과 외부 전기장 합)이 V_S-D로 변조될 수 있음을 나타냅니다.

또한 GNR 게이트 튜닝 가능 캐리어 밀도를 고려하여 백 게이트 전압 변조로 우리 장치 광전류를 효과적으로 조정했습니다. 그림 3b는 V_S-D = 0에서 소스-드레인 전압 바이어스 하 세 종류의 전류(I_illumination, I_ph, I_dark)가 백 게이트 전압(-5 V ≤ V_G ≤ 5 V) 함수로 표시됩니다. 일반적으로 광전류는 게이트 전압 절대값과 양의 상관관계를 가지며, GNR 캐리어 밀도가 외부 수직 전기장에 민감하기 때문입니다. 흥미롭게도 게이트 전압이 음수일 때(-5 V ≤ V_G ≤ 0 V) 게이트 전압 증가에 따라 광전류가 증가하고, 양수일 때(0 V ≤ V_G ≤ 5 V) 반대 현상이 발생했습니다. 이 현상은 GNR 채널 p-타입 거동으로 설명될 수 있으며 그림 2d 관찰과 잘 일치합니다. 결과는 증가된 |V_G|가 채널 페르미 준위를 원자가 밴드(또는 전도 밴드)에 더 가깝게 튜닝하고 GNR 채널 전도도가 게이트 튜닝 가능함을 나타냅니다. 주목할 점은 두 변조 방법(소스-드레인 전압, 백 게이트 전압) 모두에서 광전류 튜닝 가능성이 nA 수준에서 μA 수준까지 초광범위하게 입증되었습니다.

또한 응답도와 이득도 게이트 전압과 소스-드레인 전압 조절로 효율적으로 변조될 수 있습니다. 소스-드레인 바이어스 의존 이득과 포토응답도를 계산[식 (1), (2) 따라]하여 그림 4a, b에 플롯했습니다. GNR 기반 포토디텍터에서 이득과 V_S-D 관계는 다음 공식으로 주어집니다:

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

여기서 τ는 과잉 정공 수명(트랩된 정공 수명), τ_T = l²/(μV_S-D)는 캐리어 이동 시간, l은 채널 길이, μ는 캐리어 이동도, V_S-D는 소스-드레인 바이어스입니다. 따라서 이득과 소스-드레인 전압은 양의 상관관계를 가집니다. 명백히 G는 소스-드레인 바이어스에 선형 의존합니다. 결과적으로 실온에서 V_S-D = 0.5 V에서 최대 포토응답도 R = 170 AW⁻¹, 최대 이득 G = 14,500 달성했으며, 이는 이전 그래핀 나노구조 기반 포토디텍터[26,35,36]보다 100배 향상되었습니다. 더 중요하게는 이득과 포토응답도 값이 포화되지 않았습니다. 따라서 더 큰 드레인-소스 전압 적용 시 더 높은 이득과 포토응답도 달성 가능합니다.

그림 4c, d는 백 게이트 바이어스 적용으로 GNR 캐리어 농도 개선하여 포토응답도와 이득도 향상시킬 수 있음을 보여줍니다. V_G = -4 V에서 최대 포토응답도 R = 800 AW⁻¹, 최대 이득 G = 22,400 달성했습니다. 이 최대 포토응답도 값은 순수 그래핀 포토디텍터(~10 mAW⁻¹)[37]보다 5배 높은 주문입니다. 또한 이득과 포토응답도 모두 포화되지 않아 더 큰 백 게이트 전압 적용으로 더 높은 포토응답도 달성 가능합니다. 캐리어 농도 외에 채널 전류에 상당한 영향을 미치는 또 다른 요인은 Au 전극과 GNR 간 접촉 저항(R_C)으로 계면 쇼트키 장벽 높이와 불가분의 관계입니다[34]. GNR이 p-타입 채널로 작용하므로 음수 V_G 적용 시 페르미 준위 낮아짐으로 쇼트키 장벽 높이가 감소합니다. 반면 V_G가 양수 값으로 증가하면 쇼트키 장벽 높이가 증가하여 채널 전류가 크게 억제됩니다.

마지막으로 입사광 파워 하 광전류 시간 의존성 조사로 전환합니다. 그림 5a는 다른 입사광 파워 하 시간 의존 광전류 측정을 보여줍니다. 이 광전류는 mW 수준 광학 파워에서도 전류 증폭기나 록인 증폭기 없이 직접 측정할 수 있을 만큼 충분히 큽니다. 그림 5b는 광전류를 입사 광학 파워 함수로 플롯했습니다. 광전류는 입사 파워와 비선형 관계(I_ph = P^α, α = 0.85)를 가집니다. 낮은 빛 파워에서 포토게이트 전류 기여가 지배적이었고, 광생성 캐리어 수 감소로 광전도 효과는 무시될 수 있었습니다[23]. 높은 빛 조명에서는 반대로 광생성 전자 수 증가(광전도 효과)에 기인한 증가 전류가 관찰되었습니다. 또한 장치가 입사광에 민감하고 결과 광전류가 입사광 에너지와 밀접하게 관련되어 광학 파워 모니터로서 엄청난 잠재력을 드러냅니다. 다양한 포토디텍터 광전자 매개변수 비교를 표 1에 제공했습니다.

결론

요약하자면, 상온에서 외부 전기장으로 넓은 범위 변조 가능한 고성능 그래핀 나노리본 포토디텍터를 시연했습니다. 한편 외부 전기장 없이도 Si/SiO₂ 계면 국소화 전기장으로 장치 성능을 향상시킬 수 있습니다. 장치는 V_G = -4 V에서 800 AW⁻¹ 높은 포토응답도를 보였으며, 이는 이전 연구보다 2배 높은 주문입니다. 또한 우리 장치 구조는 넓은 잠재적 응용을 가진 이전 그래핀 기반 광전자 장치보다 훨씬 단순합니다. 그래핀 나노리본 장치 성능은 h-BN 캡슐화, 표면 플라즈몬, 강유전기장, 혼성 구조로 추가 개선 가능합니다. 제안된 그래핀 나노리본 포토디텍터는 미래 그래핀 기반 안전 모니터링, 광통신, 항공 응용을 위한 초고속 고감도 기회를 열어줍니다.