グラフェンナノリボン光検出器における高範囲光応答性の動的制御

はじめに

二次元（2D）層状材料であるグラフェンは、電気透析[1]、電池[2]、ナノ濾過[3]、触媒作用[4]、電磁干渉[5]、オプトエレクトロニクスなどの多くの分野で重要な役割を果たしています。重要なことに、グラフェンは、高いキャリア移動度[10、11]、ゼロバンドギャップ[12,13,14]、調整可能なフェルミ準位[12,13,14]などの新しいオプトエレクトロニクス特性[6,7,8,9]により、多くの注目を集めています。 15]。したがって、グラフェンはオプトエレクトロニクス用途の魅力的な材料と見なされてきました[16、17、18]。ただし、その薄い厚さに起因する単層グラフェンの低吸収（〜2.3％）は、依然として重要な課題です[19]。一方、そのゼロバンドギャップ特性は、オプトエレクトロニクスアプリケーションを厳しく制限します。これにより、光生成キャリアの寿命（〜ps）が短くなり、電子正孔再結合が高速になります[20、21]。結果として、元のグラフェン光検出器の応答性をさらに改善することは依然として困難であり、効率的な光電流を生成するために電子と正孔を分離することは非常に重要です。

これらの課題を克服するために、さまざまな技術が検討され、それに応じてグラフェンに基づく光検出器の光応答性が強化されました。低次元材料とそのハイブリッド構造に基づく光検出器で通常観察される光ゲーティング効果[22]は、光検出器の高性能に不可欠な役割を果たします。 MoTe ₂ に基づく光検出器 [23]およびMoS ₂ フォトゲーティング効果を利用した[24]が報告されており、フォトゲーティング効果を利用したグラフェンをベースにした優れた性能の光検出器も実現しています。グラフェンとPbS量子ドットを組み合わせることは、光の吸収を高め、グラフェン光検出器で超高利得を達成するための効果的な方法であることが実証されました[25]。さらに、グラフェン-Ta ₂ などのヘテロ構造に基づく光検出器では、電子と正孔の再結合を最小限に抑えることもできます。 O ₅ -グラフェン[26]、光誘起電子正孔対が量子トンネル効果を介して分離され、光応答性とゲインが大幅に向上しました。このようなハイブリッド構造の光検出器の応答時間は、PbS量子ドットまたはTa ₂ でのキャリアのトラップ時間が長いために大幅に増加しました。 O ₅ トンネルバリア。したがって、グラフェンベースの光検出器には、応答性、応答時間、およびスペクトル応答において優れた性能を実現することが強く求められています。

ここでは、20 nm幅のグラフェンナノリボンに基づく光検出器を提案し、その光応答性（最大800 AW ^-1 ）を示します。 ）および高速応答速度（〜10μs）。このような高性能は、主にGNRのかなりのバンドギャップに起因し、シリコン/酸化シリコン（Si / SiO ₂ ）での光ゲート効果によって強化されます。 ） インターフェース。検出器の物理的メカニズムは、エネルギーバンド図によって説明されました。さらに、GNRに基づく光検出器は、ソース-ドレインおよびバックゲート電圧によって調整できます。観察された高性能は、高応答性で超高速のグラフェン光検出器を開発するための道を実質的に開きます。

実験方法

グラフェンシートをSi基板上に剥離しました（300 nm SiO ₂ で覆われています）。 ）3Mテープマイクロメカニカル劈開技術によるグラファイトバルク（グレードZYA、SPIサプライ）から。幅20nmのグラフェンナノリボンは、反応性イオンエッチング（RIE、PE-3A）と電子ビームリソグラフィー（EBL、Raith BV EBPG5150）を使用して製造されました。この後、SiO ₂ 上の単層グラフェンとグラフェンナノリボン 誘電体は、光学顕微鏡とラマン分光法（WITec Alpha 300R）によって特徴づけられました。標準的なフォトリソグラフィーとTi / Au（20 nm / 80 nm）の電子ビーム蒸着を使用して、ソース電極とドレイン電極を作成しました。 8つのデバイス（16 GNR）が製造され、そのうち5つは優れたパフォーマンスを備えています。すべての測定は、レーザー光源、光学チョッパー、4プローブステージ、および半導体パラメーターアナライザーで構成される自家製のシステムを介して実行されました。フォトゲーティング効果を高めるために、低濃度にドープされたシリコン（Pタイプ10〜20Ωcm）基板が使用されました。波長約632nmのTi：Sapphire可視レーザーを使用して、6.25 mm ² の領域内にレーザーパルスを生成しました。 室温で。入射光の周波数は、5Hzから50000Hzの範囲の光チョッパーで変調されました。さらに、入射レーザー出力は0.34mWから5mWに調整できます。電流（図1c、d、2a–d、3a、b、4a–d、および5a、b）を含む図に示されているデータは、照明の有無にかかわらず、半導体パラメーターアナライザー（Agilent、B1500A）から取得されました。 。すべての光応答測定は、周囲条件下で実施されました。

a GRN光検出器の概略図。これは、Si / SiO ₂ 上のソース電極とドレイン電極で構成されるFETデバイスに似ています。 バックゲートとして機能する低濃度にドープされたSiウェーハを備えた基板。入射光は、可変周波数の光チョッパーによって変調されました。 b GRN光検出器デバイスのSEM画像。 c 異なるバックゲート電圧下でのGRNデバイスの電流-電圧（I-V）特性。挿入図：暗所（赤い線）または10 Hzの周波数の照明（青い線）でのデバイスのI-V特性。 d 室温でのGNR光検出器のソース-ドレイン電流対バックゲート電圧バイアス。挿入図：GNRバンド構造の概略図

a 室温でのオンオフ光（632 nm）変調下でのバックゲートおよびソース-ドレイン電圧のバイアスなしのデバイスの時間依存光電流測定。時間依存性光電流は、周波数40 Hz（ b ）のレーザー照射下で測定されました。 ）、400 Hz（ c ）、および5000 Hz（ d ）。 e GNR光検出器の概略図。 f SiとSiO ₂ 間の界面のエネルギー図 光の照明に。 E _C 、 E _V 、 E _fs 、および E _VAC それぞれ、伝導帯、価電子帯、フェルミ準位、真空準位です。 E _f および E _f ’は、GNRチャネルへの電子の注入前後のフェルミ準位です。 E _g ’はGNRのバンドギャップです。 2つのプロセスが示されています。（I）SiおよびSiO ₂ の照明下での価電子帯から伝導帯への電子遷移; （II）SiO ₂ からの正孔移動 Siと光子に励起されたキャリアがビルトインフィールドを通ってドリフトしました

a バイアスされたソース-ドレイン電圧への光電流依存性。バックゲート電圧にバイアスをかけたGRN光検出器の光電流、バックグラウンド電流、および光応答電流の測定。バイアスされたソース-ドレイン電圧の増加に伴う光電流の減少は、光生成された電子正孔対の分離効率の改善に貢献しました。 b バックゲート電圧への光電流依存性。ソース-ドレイン電圧のバイアスにおける光電流特性のバイアスされたバックゲート電圧依存性。結果は、ソース-ドレイン電圧とゲート電圧にバイアスをかけることで光電流を変調できることを示しています

バイアスされたソース-ドレイン電圧とゲート電圧に対する光応答性の依存性。 a および b それぞれ、光応答性とゲインのソース-ドレイン電圧依存性を明らかにします。 c および d 光応答性とゲインのバックゲート電圧依存性をそれぞれ示します

a 入射光の異なるパワーの下での時間依存光電流測定。 b 光電流の特性の電力依存性。結果は、GRN光検出器がmWレベルの入力光パワー検出を達成する高い感光性を持っていたことを示しています

結果と考察

GNRは、光検出の理想的なキャリアであると期待されています。私たちが製造したGNR光検出器は、Si / SiO ₂ 上のソース電極とドレイン電極で構成されていました。 図1aに概略的に示すように、バックゲートとして機能する低濃度にドープされたシリコンウェーハを備えた基板。高い移動度を確保し、同時に十分な大きさのバンドギャップを得るには、グラフェンナノリボンの幅を適度な20nmに選択しました。 GNRの完全な構造は、走査型電子顕微鏡画像（図1b）に示され、グラフェンナノリボンの長さは2μmでした。従来の光検出器とは異なり、低濃度にドープされたSiは、高濃度にドープされたSiよりもキャリア寿命がはるかに長いため、基板として採用されました[27]。

電気的特性評価が繰り返し実行され、その結果としてI- V _{S − D} 関係は図1cにプロットされています。 -10Vから10Vの範囲のさまざまなバックゲート電圧下での曲線は非線形で非対称であり、内部電界の存在を示しています。これは、製造に起因する欠陥または電極接点のショットキー障壁に起因する可能性があります。 。内部電界は、GNR光検出器の光電流に無視できない影響を及ぼしました。これについては後で説明します。挿入図は、暗所と照明下（周波数10 Hzのレーザーパルスを適用）でのデバイスのI-V特性の比較であり、高感度の光スイッチング調整可能性を示しています。明らかに、I-V曲線は V としてシフトしました _G さまざま。 V _{G の効果をさらに理解するため} GNRチャネルの電荷輸送特性については、図1dに示すように、暗状態での移動特性を室温で記録しました。測定された I _D – V _G V での曲線 _SD =10 mVは、デバイスがグラフェンベースの光検出器の典型的な動作を示し、GNRが20Vのシフトでp型チャネルとして機能することを示しました。

一般的なオプトエレクトロニクスシステムの場合、光検出器の応答速度（出力がパルスピークの10（90）％から90（10）％に上昇（下降）するのに必要な合計時間で特徴付けられる）によって、実行速度と情報容量が決まります。光検出システムの。製造されたデバイスの最終的な応答時間を調査するために、40 Hz、400 Hz、および50,000Hzの異なるパルス周波数の入力光信号が適用されました。図2b–dは、対応する時間分解総光電流を示しています。これは、製造された光検出器が優れた再現性で効率的にオンとオフを切り替えることができることを直感的に反映しています。さらに、レーザー周波数を50,000 Hzに調整した場合、立ち上がり時間は10μsと測定されました。当社のデバイスは50,000Hzを超えるより高い周波数で動作することが期待されており、測定機器の制限により、応答速度の正確な値は明確ではありません。 GNR光検出器は、グラフェンやその他の2D TMDに基づくほとんどの光検出器よりもはるかに高速に動作することが注目されました[28、29、30、31]。高速光電流スイッチングは、そのような幅のGNRの超高キャリア移動度と強い外部電界に起因すると考えられています。

光検出器の用途には、応答速度の速さに加えて、応答性の高さとゲインの向上が不可欠です。したがって、室温でデバイス全体に光を当てることにより、ソース-ドレインバイアスおよびバックゲート電圧なしのGNR光検出器の光応答をさらに研究しました。図2aは、オンオフ光変調下でバイアス電圧がない場合のデバイスの時間依存光電流測定を示しています。観測された光電流は275nA（ I _{イルミネーション} =293 nA、 I _暗い =18 nA）照明下で、 R の高い光応答性を示しました =17.2 AW ^-1 G の高ゲイン =1465も、次の2つの式で計算されます。

ここで私 _P （275 nA）は光電流であり、 S _L （6.25 mm ² ）および S _G （2μm×10μm）は、それぞれレーザーとGNRの実際の面積であり、 P （5 mW）は、波長λの入射レーザーの出力です。 _in （532 nm）。当社のデバイスの高性能を明らかにするには、GNR光検出器の光電流生成メカニズムを調査することが不可欠です。二次元材料に基づく光検出器の場合、主に2つの光電流生成メカニズムがあります。光伝導効果（PC）と光起電力効果（PV）です[32]。

ソース-ドレインバイアスを適用せずに、2つのビルトイン電界がGNRと電極の間に形成されたため、PVが光電流の生成に関与しました。製造工程で形成された欠陥のため、2つの電界は同じ大きさではありませんでした。光がAu-GNR界面の領域に到達すると、光生成された電子正孔対が生成され、続いてビルトインフィールドによって分離され、光電流の生成に大きく貢献しました。ただし、ソース-ドレインバイアス下では、Au-GNRインターフェイスの2つのビルトイン電界は光電流の生成にほとんど影響しませんでした。したがって、PCは、ソース-ドレインバイアスを適用する場合の光電流生成において最も重要な役割を果たしました。光子を吸収した後、GNRチャネルはより多くの自由キャリアを生成し、キャリアチャネルの抵抗を減らしました。したがって、かなりの光電流 I _P =\（\ frac {V_ {OC}} {R_G} \）（ V _OC 開回路電圧を表し、 R _G は、16個のグラフェンナノリボンによって形成されたチャネルの総抵抗です）が観察されました。

図2a–dに見られるように、μA レベルの光電流が観察されました。これは、3つの側面の寄与による可能性があります。 1つは、GNRのバンドギャップにより、電子正孔対の再結合率が低下したことです。もう1つは、GNRのエッジ欠陥によって引き起こされるミッドギャップ状態[33]によって、価電子帯から伝導帯への遷移中に光生成電子が捕捉されたことです。したがって、正孔とトラップされた電子が再結合する前に、正孔がドレイン-ソース電極間を循環して光電流を形成し、高いゲインを達成する可能性があります。 3番目の側面は、SiO ₂ での電子の蓄積でした。 / Si界面は垂直電界を印加するのと同等であり、チャネルのコンダクタンスが大幅に向上しました。さらに、図2a〜dでは、得られた光電流は、報告されているMoS ₂ と同様に、光チョッパーによって変調された入射光の周波数にほとんど依存していませんでした。 光検出器[24]。光の周波数がチョッパーによって調整された場合、光伝導効果は、GNR光検出器の光電流生成において主要な役割を果たしました。ただし、デバイスが光（0 Hz）にさらされると、キャリア生成の過程でフォトゲーティング効果が顕著になり、半導体内でのトラップと再結合が発生します。

上記の第3の側面の詳細な物理的プロセスは、図2e、fに示されています。暗闇の中で平衡状態を達成するために、電子はSiO ₂ から拡散します。 2つの材料間のフェルミ準位の違いによりSiになり、Si / SiO ₂ でエネルギーバンドが曲がります。 インターフェース。その結果、空乏領域に強いビルトイン電場（E）が形成され、光生成された電子正孔対が効率的に分離され、電子はSiとSiO ₂ の間の界面に移動します。 一方、穴はSiの内部領域に移動します。その後、電子はSiO ₂ に蓄積されます / Siインターフェース、およびこれらのトラップされた電子は、GNRに追加の負の垂直電圧を印加し、これらの電子の存在により、正孔濃度が増加し、それに応じてGNRチャネルのフェルミ準位が低下しました。

デバイスは高性能を示しますが、デバイスの光電流と応答性を大幅に向上させるためのいくつかの効果的なアプローチを探すことが重要です。次に、光電流に対するソース-ドレインバイアスとゲート電圧の影響を体系的に調査しました。図3aは、光電流（ I ）の結果を示しています。 _レーザー ）、バックグラウンド電流（ I _暗い ）、および光応答電流（ I _ph ）ソース-ドレイン電圧の関数としての測定（-3V≤ V _{S − D} ≤10V）固定ゲート電圧で。 V で光電流はゼロではありませんでした _{S − D} =0であり、ソース-ドレイン電圧とともに非線形に増加し、ビルトイン電界の存在も証明します。光電流の値がソース-ドレインバイアスに強く依存していたことは明らかです。

ソース-ドレイン電圧による調整可能性の説得力のある説明は、光電流、バックグラウンド電流、および光応答電流の関係を I として表すことができるということです。 _{イルミネーション} =私 _ph + 私 _暗い 、ここで I _ph および私 _暗い ドレイン-ソース間電圧 V とともに増加 _{S − D} これは、外部電界下でキャリアのドリフト速度が上昇し、キャリア通過時間が短縮されたためです[34]。したがって、光生成キャリアの分離効率が向上し、大きな光電流に大きく貢献しました。このような現象は、GNRチャネルの全電界、つまり内部電界と外部電界の合計が V によって変調できることを示しています。 _{S − D} 。

さらに、GNRのゲート調整可能なキャリア密度を考慮して、バックゲート電圧を変調することにより、デバイスの光電流を効果的に調整しました。図3bは、これら3種類の電流（ I ）を示しています。 _{イルミネーション} 、私 _ph および私 _暗い ）バックゲート電圧の関数として（-5V≤V _G ≤5V） V _{S − D} =0。一般に、GNRのキャリア密度は外部の垂直電界に敏感であるため、光電流はゲート電圧の絶対値と正の相関がありました。興味深いことに、ゲート電圧が負の場合（-5V≤V _{G ）、ゲート電圧が増加すると光電流が増加しました。} ≤0V）であり、ゲート電圧が正の場合（0V≤V _{G ）は逆になります。} ≤5V）。この現象は、GNRチャネルのp型の振る舞いによって説明できます。これは、図2dの観察結果とよく一致しています。結果は、| V _{G が増加したことを示しています。} |チャネルのフェルミ準位を価電子帯（または伝導帯）に近づけることができ、GNRチャネルのコンダクタンスはゲート調整可能でした。特に、2つの変調方式（ソース-ドレイン電圧とバックゲート電圧）の両方で、光電流の調整可能性がnAレベルからμAレベルまでの超広い範囲で実証されました。

さらに、応答性とゲインは、GNR光検出器のゲート電圧とソース-ドレイン電圧を調整することによって効率的に変調することもできます。ソース-ドレインバイアスのゲインおよび光応答性依存性が計算されました[式に従って。 （1）および（2）]そして続いて図4a、bにプロットされます。 GNRに基づく光検出器の場合、ゲインと V の関係 _{S − D} 次の式で与えられます：

ここでτ は過剰な穴の寿命（トラップされた穴の寿命）であり、τ _T = l ² /（μV _{S − D} ）は運送業者の通過時間であり、 l はチャネルの長さであり、μ はキャリア移動度ですが、 V _{S − D} ソース-ドレインバイアスです。したがって、ゲインとソース-ドレイン電圧は正の相関を示します。どうやら、 G ソース-ドレインバイアスに線形依存します。その結果、 R の最大光応答性 =170 AW ^-1 G の最大ゲイン = V の室温で14,500が達成されました _{S − D} =0.5V。これは、以前のグラフェンナノ構造ベースの光検出器の100倍の改善でした[26、35、36]。さらに重要なことに、ゲインと光応答性の値は飽和していませんでした。その結果、より大きなドレイン-ソース間電圧を印加すると、より高いゲインと光応答性を実現できます。

図4c、dは、バックゲートバイアスを適用してGNRのキャリア濃度を改善することにより、光応答性とゲインも向上できることを示しています。 R の最大光応答性 =800 AW ^-1 G の最大ゲイン =22400はV _{G で取得されました} =-4V。この光応答性の最大値は、純粋なグラフェン光検出器の最大値よりも5桁高かった（〜10 mAW ^-1 ）[37]。さらに、ゲインと光応答性の両方が飽和していなかったため、より大きなバックゲート電圧を印加することで、より高い光応答性を実現できました。キャリア濃度に加えて、チャネル電流に大きな影響を与えたもう1つの要因は、接触抵抗（ R ）でした。 _C ）Au電極とGNRの間で、界面のショットキー障壁の高さに不可分に関連していた[34]。 GNRはp型チャネルとして機能するため、負の V を適用すると _G 、フェルミ準位が低いため、ショットキー障壁の高さが低くなりました。対照的に、 V _G が正の値に増加し、ショットキーバリアの高さが向上し、チャネルの電流が大幅に抑制されました。

最後に、電力の入射光の下での光電流の時間依存性調査に目を向けます。図5aは、入射光のさまざまなパワーの下での時間依存の光電流測定を示しています。この光電流は、mWレベルの光パワーでも、電流プリアンプやロックインアンプなしで直接測定するのに十分な大きさでした。図5bは、入射光パワーの関数としての光電流をプロットしています。光電流は入射パワー（ I ）と非線形の関係がありました _ph =P ^α 、α=0.85）。より低い光パワーの下では、フォトゲート電流の寄与が支配的であり、光生成キャリアの数が減少したため、光伝導効果は無視できた[23]。反対に、より高い光照射では、電流の増加が観察されました。これは、光生成電子の数の増加に起因する可能性があります（光伝導効果）。さらに、デバイスは入射光に敏感であり、結果として生じる光電流は入射光エネルギーと密接に関連しており、光パワーモニターの途方もない可能性を明らかにしました。さまざまな光検出器の光電子パラメータの比較を表1に示します。

結論

要約すると、我々は、室温で外部電場を介して広範囲に変調された高性能グラフェンナノリボン光検出器を実証しました。一方、外部電場がない場合、デバイスの性能は、Si / SiO ₂ での局所電場によって向上する可能性があります。 インターフェース。このデバイスは、800 AW ^-1 の高い光応答性を示しました。 V で _G =− 4 V、これは以前の研究よりも2桁高かった。さらに、私たちのデバイスの構造は、潜在的な幅広いアプリケーションを備えた以前のグラフェンベースのオプトエレクトロニクスデバイスと比較してはるかに単純です。グラフェンナノリボンデバイスの性能は、h-BNカプセル化、表面プラズモン、強誘電体場、およびハイブリッド構造によってさらに改善できます。提案されたグラフェンナノリボン光検出器は、将来のグラフェンベースの安全監視、光通信、および航空アプリケーションのための超高速かつ高感度の刺激的な機会を開きます。