Dynamische Steuerung der Photodetektor-Empfindlichkeit in Graphen-Nanoband-Geräten

Zusammenfassung

Graphen hat sich als vielversprechendes Material für Optoelektronik und Photodetektoren erwiesen, aufgrund seiner ultra-breitbandigen optischen Absorption und hohen Ladungsträgermobilität. Seine Integration in optoelektronische Systeme wurde jedoch durch die Null-Bandlücke und das Fehlen eines Verstärkungsmechanismus begrenzt. Hier demonstrieren wir einen neuartigen Photodetektor basierend auf Graphen-Nanobändern (GNRs) mit einer maßgeblichen Bandlücke. Durch das Einfangen von Ladungen an der Grenzfläche zwischen SiO₂ und leicht dotiertem Silizium wurde ein ultrahoher Verstärkungsfaktor von 22.400 erzielt. Unsere Geräte zeigen eine erhöhte Photoresponsivität (~800 AW⁻¹) bei schneller Ansprechgeschwindigkeit (bis zu 10 µs). Diese Photoresponsivität ist etwa zwei Größenordnungen höher als die früherer Graphen-basierter Photodetektoren. Der Photodetektor weist einen weiten Einstellbereich über Source-Drain-Bias und Back-Gate-Spannung auf. Unsere Arbeit adressiert zentrale Herausforderungen für Photodetektoren und bietet potenziell den gewünschten Weg zur praktischen Anwendung von Graphen-Photodetektoren, die extern durch ein elektrisches Feld mit schneller Ansprechgeschwindigkeit und hoher Empfindlichkeit manipulierbar sind.

Einleitung

Graphen, ein zweidimensionales (2D) Schichtmaterial, spielt in vielen Bereichen eine wichtige Rolle, darunter Elektrodialyse, Batterien, Nanofiltration, Katalyse, elektromagnetische Interferenz und Optoelektronik. Besonders hat Graphen aufgrund seiner neuartigen optoelektronischen Eigenschaften viel Aufmerksamkeit erregt, wie hoher Ladungsträgermobilität, Null-Bandlücke und einstellbarem Fermi-Niveau. Daher wird Graphen als attraktives Material für optoelektronische Anwendungen betrachtet. Allerdings bleibt die geringe Absorption (~2,3 %) des Monolayer-Graphens aufgrund seiner dünnen Dicke eine kritische Herausforderung. Andererseits schränkt die Null-Bandlücke-Eigenschaft optoelektronische Anwendungen stark ein, da sie eine kurze Lebensdauer photogenerierter Ladungsträger (~ps) und schnelle Elektron-Loch-Rekombination verursacht. Folglich bleibt die weitere Verbesserung der Responsivität von reinem Graphen-Photodetektoren herausfordernd, und es ist von erheblicher Bedeutung, Elektronen und Löcher zu trennen, um einen effizienten Photostrom zu erzeugen.

Um diese Herausforderungen zu überwinden, wurden verschiedene Techniken erforscht und die Photoresponsivität von Graphen-basierten Photodetektoren entsprechend gesteigert. Der Photogating-Effekt, der üblicherweise in Photodetektoren basierend auf niedrigdimensionalen Materialien und ihren Hybridstrukturen beobachtet wird, spielt eine wesentliche Rolle für die hohe Leistung von Photodetektoren. Photodetektoren basierend auf MoTe₂ und MoS₂ unter Nutzung des Photogating-Effekts wurden berichtet, und Photodetektoren mit exzellenter Leistung basierend auf Graphen unter Nutzung des Photogating-Effekts wurden ebenfalls erreicht. Es wurde demonstriert, dass die Kombination von Graphen und PbS-Quantenpunkten ein effektiver Weg ist, die Lichtabsorption zu erhöhen und einen ultrahohen Gewinn in einem Graphen-Photodetektor zu erzielen. Zudem konnte die Rekombination von Elektronen und Löchern in Photodetektoren basierend auf Heterostrukturen minimiert werden, wie Graphen-Ta₂O₅-Graphen, wo photoinduzierte Elektron-Loch-Paare durch Quantentunnel-Effekte getrennt wurden, was zu großer Steigerung der Photoresponsivität und des Gewinns führte. Die Ansprechzeit solcher Hybridstrukturen-Photodetektoren wurde jedoch durch die lange Fangzeit der Ladungsträger in PbS-Quantenpunkten oder in der Ta₂O₅-Tunnelbarriere ernsthaft erhöht. Daher ist es dringend erforderlich, dass Graphen-basierte Photodetektoren exzellente Leistungen in Responsivität, Ansprechzeit und Spektralantwort erreichen.

Hier schlagen wir einen Photodetektor basierend auf 20-nm-breiten Graphen-Nanobändern vor und demonstrieren seine Photoresponsivität (bis zu 800 AW⁻¹) und schnelle Ansprechgeschwindigkeit (~10 µs). Solch hohe Leistung wird hauptsächlich der maßgeblichen Bandlücke in den GNRs zugeschrieben, verstärkt durch den Photogating-Effekt an der Silizium/Siliziumoxid (Si/SiO₂)-Grenzfläche. Der physikalische Mechanismus des Detektors wurde durch Energiebanddiagramme erklärt. Darüber hinaus kann der GNR-basierte Photodetektor durch Source-Drain- und Back-Gate-Spannung abgestimmt werden. Die beobachtete hohe Leistung ebnet den Weg für die Entwicklung hochresponsiver und ultraschneller Graphen-Photodetektoren substantially.

Experimentelle Methoden

Das Graphenblatt wurde durch 3M-Klebeband-Mikromechanische Spaltung von Graphit-Bulk (Grad ZYA, SPI Supplies) auf einen Si-Substrat (mit 300 nm SiO₂) exfoliiert. Graphen-Nanobänder mit 20 nm Breite wurden durch reaktives Ionenätzen (RIE, PE-3A) und Elektronenstrahl-Lithographie (EBL, Raith BV EBPG5150) hergestellt. Anschließend wurden Monolayer-Graphen und Graphen-Nanobänder auf dem SiO₂-Dielektrikum durch optisches Mikroskop und Raman-Spektroskopie (WITec Alpha 300R) charakterisiert. Standard-Photolithographie und E-Beam-Verdampfung von Ti/Au (20 nm/80 nm) wurden zur Erstellung der Source- und Drain-Elektroden verwendet. Acht Geräte (16 GNRs) wurden gefertigt, fünf davon zeigten exzellente Leistung. Alle Messungen wurden durch ein hausgemachtes System durchgeführt, bestehend aus Laserlichtquelle, optischem Chopper, 4-Punkt-Messbühne und Halbleiter-Parameter-Analysator. Ein niedrig dotiertes Silizium (P-Typ 10–20 Ω·cm) Substrat wurde verwendet, um den Photogating-Effekt zu verstärken. Ein Ti:Saphir-Sichtbarlaser bei ~632 nm Wellenlänge erzeugte Laserpulse in einem Bereich von 6,25 mm² bei Raumtemperatur. Die Frequenz des einfallenden Lichts wurde mit einem optischen Chopper im Bereich 5 Hz bis 50.000 Hz moduliert. Zudem konnte die einfallende Laserleistung von 0,34 mW bis 5 mW eingestellt werden. Die in den Abbildungen gezeigten Daten, einschließlich Strom (Abb. 1c, d, 2a–d, 3a, b, 4a–d, 5a, b), wurden von einem Halbleiter-Parameter-Analysator (Agilent, B1500A) mit und ohne Beleuchtung erhalten. Alle Photorespons-Messungen erfolgten unter Umgebungsbedingungen.

Ergebnisse und Diskussion

GNRs werden als ideale Träger für Photodetektion erwartet. Der von uns gefertigte GNR-Photodetektor bestand aus Source- und Drain-Elektroden auf einem Si/SiO₂-Substrat mit einem leicht dotierten Silizium-Wafer als Back-Gate (schematisch in Abb. 1a). Um hohe Mobilität und ausreichend große Bandlücke gleichzeitig zu gewährleisten, wurde die Breite der Graphen-Nanobänder auf moderate 20 nm gewählt. Die vollständige Struktur der GNRs ist im Rasterelektronenmikroskop-Bild (Abb. 1b) gezeigt, die Länge der Graphen-Nanobänder betrug 2 µm. Anders als bei konventionellen Photodetektoren wurde leicht dotiertes Si als Substrat gewählt, da seine Ladungsträger-Lebensdauer viel länger ist als in stark dotiertem Si.

Die elektrische Charakterisierung wurde wiederholt durchgeführt und die resultierende I-V_S-D-Beziehung in Abbildung 1c dargestellt. Die Kurven unter verschiedenen Back-Gate-Spannungen (−10 V bis 10 V) sind nichtlinear und asymmetrisch, was auf ein internes elektrisches Feld hinweist, das möglicherweise durch fertigunginduzierte Defekte oder Schottky-Barrieren an den Elektrodenkontakten resultiert. Dieses interne elektrische Feld hatte einen nicht vernachlässigbaren Effekt auf den Photostrom des GNR-Photodetektors, was später erläutert wird. Das Inlay zeigt den Vergleich der I-V-Kennlinien im Dunkeln und unter Beleuchtung (Laserpuls mit 10 Hz Frequenz), was die empfindliche optische Schaltbarkeit manifestiert. Offensichtlich verschiebt sich die I-V-Kurve mit V_G. Um den Effekt von V_G auf die Ladungstransporteigenschaften des GNR-Kanals weiter zu verstehen, wurden die Transferkennlinien im dunklen Zustand bei Raumtemperatur aufgezeichnet (Abb. 1d). Die gemessene I_D-V_G-Kurve bei V_SD = 10 mV zeigte, dass unser Gerät ein typisches Verhalten eines Graphen-basierten Photodetektors aufwies, und die GNRs fungierten als p-Typ-Kanal mit einer Verschiebung von 20 V.

Für typische optoelektronische Systeme bestimmt die Ansprechgeschwindigkeit (charakterisiert durch die Gesamtzeit, die der Ausgang benötigt, um von 10 (90)% auf 90 (10)% des Pulsmaximums anzusteigen (abzufallen)) die Laufgeschwindigkeit und Informationskapazität des Photodetektionssystems. Um die ultimative Ansprechzeit des gefertigten Geräts zu untersuchen, wurden optische Eingangssignale mit verschiedenen Pulsfrequenzen von 40 Hz, 400 Hz und 50.000 Hz angelegt. Abbildung 2b–d zeigen die entsprechenden zeitaufgelösten Gesamtphotoströme, die intuitiv反映, dass der gefertigte Photodetektor effizient und mit exzellenter Wiederholbarkeit ein- und ausgeschaltet werden konnte. Zudem betrug die Anstiegszeit bei 50.000 Hz Laserfrequenz 10 µs. Wir glauben, dass unser Gerät bei Frequenzen über 50.000 Hz betrieben werden kann; der genaue Ansprechgeschwindigkeitswert ist aufgrund der Messgerätebeschränkung nicht bekannt. Unser GNR-Photodetektor läuft viel schneller als die meisten Photodetektoren basierend auf Graphen und anderen 2D TMDs. Die schnelle Photostromschaltung wird der ultrahohe Ladungsträgermobilität der GNRs solcher Breite und dem starken externen elektrischen Feld zugeschrieben.

Zusätzlich zur schnellen Ansprechgeschwindigkeit sind hohe Responsivität und erhöhter Gewinn für die Photodetektoranwendung unverzichtbar. Daher untersuchten wir durch Bestrahlung des gesamten Geräts bei Raumtemperatur die Photoresponse des GNR-Photodetektors ohne Source-Drain-Bias und Back-Gate-Spannung. Abbildung 2a zeigt die zeitabhängigen Photostrommessungen des Geräts ohne Bias-Spannung unter Ein/Aus-Lichtmodulation. Der beobachtete Photostrom betrug 275 nA (I_Beleuchtung = 293 nA, I_Dunkel = 18 nA), was eine hohe Photoresponsivität von R = 17,2 AW⁻¹ und einen hohen Gewinn von G = 1465 ergab, berechnet über folgende Gleichungen:

R = I_P / (S_G/S_L · P)

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

wobei I_P (275 nA) der Photostrom, S_L (6,25 mm²) und S_G (2 µm × 10 µm) die tatsächlichen Flächen des Lasers und der GNR sind, und P (5 mW) die Leistung des einfallenden Lasers mit Wellenlänge λ_in (532 nm). Es ist essenziell, den Photostrom-Erzeugungsmechanismus der GNR-Photodetektoren zu erforschen, um die hohe Leistung unserer Geräte zu klären. Für Photodetektoren basierend auf zweidimensionalen Materialien gibt es hauptsächlich zwei Photostrom-Erzeugungsmechanismen: den photoleitenden Effekt (PC) und den photovoltaischen Effekt (PV).

Ohne Source-Drain-Bias war PV für die Photostromerzeugung verantwortlich, da zwei eingebaute elektrische Felder an den Au-GNR-Grenzflächen gebildet wurden. Diese beiden Felder hatten unterschiedliche Stärke aufgrund von Fertigungsdefekten. Wenn Licht den Bereich an der Au-GNR-Grenzfläche erreichte, wurden photoerzeugte Elektron-Loch-Paare erzeugt und anschließend durch die eingebauten Felder getrennt, was signifikant zur Photostromerzeugung beitrug. Unter Source-Drain-Bias spielten die beiden eingebauten Felder an der Au-GNR-Grenzfläche kaum eine Rolle bei der Photostromerzeugung. Daher spielte PC die entscheidende Rolle bei der Photostromerzeugung bei angelegtem Source-Drain-Bias. Nach Photonenabsorption erzeugte der GNR-Kanal mehr freie Ladungsträger, was den Widerstand der Trägerkanäle reduzierte. Daher wurde ein signifikanter Photostrom I_P = V_OC/R_G beobachtet (V_OC Leerlaufspannung, R_G Gesamtwiderstand des von 16 Graphen-Nanobändern gebildeten Kanals).

Wie in Abb. 2a–d zu sehen, wurde ein µA-Pegel-Photostrom beobachtet, was auf drei Aspekte zurückzuführen sein könnte: Erstens wurde die Elektron-Loch-Rekombinationsrate durch die Bandlücke in den GNRs reduziert. Zweitens wurden photogenerierte Elektronen während des Übergangs vom Valenz- ins Leitungsband durch Mittellagenzustände eingefangen, die durch Randdefekte der GNRs induziert wurden. Daher konnten Löcher vor Rekombination mit den gefangenen Elektronen zwischen Drain-Source-Elektroden zirkulieren und Photostrom bilden, was hohen Gewinn ermöglichte. Der dritte Aspekt war die Akkumulation von Elektronen an der SiO₂/Si-Grenzfläche, was einem vertikalen elektrischen Feld entsprach, wodurch die Leitfähigkeit des Kanals stark erhöht wurde. Zudem zeigte der erhaltene Photostrom in Abb. 2a–d kaum Abhängigkeit von der Frequenz des einfallenden Lichts, moduliert durch den optischen Chopper, ähnlich wie bei berichteten MoS₂-Photodetektoren. Der photoleitende Effekt spielte die primäre Rolle bei der Photostromerzeugung des GNR-Photodetektors bei Chopper-modulierter Lichtfrequenz. Bei kontinuierlicher Beleuchtung (0 Hz) wäre der Photogating-Effekt im Prozess der Ladungsträgererzeugung signifikant, was zu Fallenbildung und Rekombination in Halbleitern führt.

Der detaillierte physikalische Prozess des dritten Aspekts wurde in Abb. 2e, f demonstriert. Um im Dunkeln einen Gleichgewichtszustand zu erreichen, diffundierten Elektronen von SiO₂ nach Si aufgrund der Fermi-Niveau-Differenz zwischen den beiden Materialien, was zu Energiebandbiegen an der Si/SiO₂-Grenzfläche führte. Dadurch entstand ein starkes eingebautes elektrisches Feld (E) in der Verarmungszone, das photoerzeugte Elektron-Loch-Paare effizient trennte: Elektronen bewegten sich zur Si/SiO₂-Grenzfläche, Löcher in das Innere von Si. Die Elektronen akkumulierten an der SiO₂/Si-Grenzfläche, und diese gefangenen Elektronen legten eine zusätzliche negative vertikale Spannung auf die GNRs an, wodurch die Lochkonzentration erhöht und das Fermi-Niveau des GNR-Kanals entsprechend gesenkt wurde.

Obwohl das Gerät hohe Leistung zeigt, ist es wichtig, effektive Ansätze zu finden, um Photostrom und Responsivität signifikant zu steigern. Dann wurden die Effekte von Source-Drain-Bias und Gate-Spannung auf den Photostrom systematisch untersucht. Abbildung 3a zeigt Photostrom (I_Laser), Dunkelstrom (I_Dunkel) und Photoresponse-Strom (I_ph) als Funktion der Source-Drain-Spannung (−3 V ≤ V_S-D ≤ 10 V) bei festem Gate-Bias. Der Photostrom war bei V_S-D = 0 nicht null und stieg nichtlinear mit der Source-Drain-Spannung an, was die Existenz eines eingebauten elektrischen Feldes weiter belegt. Der Photostromwert war stark vom Source-Drain-Bias abhängig.

Eine überzeugende Erklärung für die Abstimmbarkeit über Source-Drain-Spannung ist, dass der Zusammenhang zwischen Photostrom, Dunkelstrom und Photoresponse-Strom als I_Beleuchtung = I_ph + I_Dunkel ausgedrückt werden kann, wobei I_ph und I_Dunkel mit Drain-Source-Spannung V_S-D zunehmen, weil die Driftgeschwindigkeit der Ladungsträger steigt und die Trägertransitzeit unter externem elektrischen Feld abnimmt. Daher verbessert sich die Trennungseffizienz photogenerierter Ladungsträger signifikant, was zum großen Photostrom beiträgt. Dies zeigt, dass das Gesamtelektrische Feld des GNR-Kanals, die Summe aus internem und externem Feld, durch V_S-D moduliert werden kann.

Zudem wurde der Photostrom unseres Geräts durch Modulation der Back-Gate-Spannung effektiv justiert, unter Berücksichtigung der gate-einstellbaren Ladungsträgerdichte der GNRs. Abbildung 3b zeigt diese drei Stromarten als Funktion der Back-Gate-Spannung (−5 V ≤ V_G ≤ 5 V) bei V_S-D = 0. Im Allgemeinen korrelierte der Photostrom positiv mit dem Absolutwert der Gate-Spannung, da die Ladungsträgerdichte der GNRs empfindlich auf das externe vertikale elektrische Feld reagiert. Interessanterweise stieg der Photostrom bei negativer Gate-Spannung (−5 V ≤ V_G ≤ 0 V) mit zunehmendem V_G, und das Gegenteil trat bei positiver Gate-Spannung (0 V ≤ V_G ≤ 5 V) auf. Dies lässt sich durch das p-Typ-Verhalten des GNR-Kanals erklären, was gut mit Abb. 2d übereinstimmt. Die Ergebnisse zeigen, dass erhöhtes |V_G| das Fermi-Niveau des Kanals näher an das Valenzband (oder Leitungsband) bringt und die Leitfähigkeit des GNR-Kanals gate-einstellbar ist. Bemerkenswert: Für beide Modulationsmethoden (Source-Drain-Spannung und Back-Gate-Spannung) wurde die Abstimmbarkeit des Photostroms in einem ultrabreiten Bereich von nA- bis µA-Pegel demonstriert.

Zusätzlich konnten Responsivität und Gewinn effizient durch Regulierung der Gate-Spannung und Source-Drain-Spannung des GNR-Photodetektors moduliert werden. Gewinn und Photoresponsivität in Abhängigkeit vom Source-Drain-Bias wurden [gemäß Gl. (1) und (2)] berechnet und in Abb. 4a, b dargestellt. Für den GNR-basierten Photodetektor ist der Zusammenhang zwischen Gewinn und V_S-D gegeben durch:

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

wobei τ die Überschuss-Loch-Lebensdauer (gefängte Loch-Lebensdauer), τ_T = l²/(µV_S-D) die Transitzeits des Trägers, l die Kanallänge, µ die Ladungsträgermobilität und V_S-D der Source-Drain-Bias ist. Daher zeigen Gewinn und Source-Drain-Spannung positive Korrelation. Offenbar ist G linear von V_S-D abhängig. Resultat: Maximale Photoresponsivität R = 170 AW⁻¹ und maximaler Gewinn G = 14.500 wurden bei Raumtemperatur bei V_S-D = 0,5 V erreicht, eine 100-fache Verbesserung gegenüber früheren Graphen-Nanostruktur-Photodetektoren. Wichtiger: Gewinn und Photoresponsivität waren nicht gesättigt. Daher könnten höhere Gewinn und Photoresponsivität durch größeren Drain-Source-Bias erreicht werden.

Abbildung 4c, d zeigt, dass Photoresponsivität und Gewinn auch durch Anlegen eines Back-Gate-Bias zur Verbesserung der Ladungsträgerkonzentration der GNRs gesteigert werden konnten. Maximale Photoresponsivität R = 800 AW⁻¹ und maximaler Gewinn G = 22.400 wurden bei V_G = −4 V erzielt. Dieser maximale Photoresponsivitätswert war fünf Größenordnungen höher als der reiner Graphen-Photodetektoren (~10 mAW⁻¹). Zudem waren Gewinn und Photoresponsivität nicht gesättigt; höhere Photoresponsivität könnte durch größeren Back-Gate-Bias erreicht werden. Neben der Ladungsträgerkonzentration beeinflusste der Kontaktwiderstand (R_C) zwischen Au-Elektroden und GNRs, untrennbar verbunden mit der Schottky-Barrierehöhe an der Grenzfläche, den Kanalstrom signifikant. Da GNRs als p-Typ-Kanal dienten, wurde bei negativem V_G die Schottky-Barrierehöhe durch das niedrigere Fermi-Niveau reduziert. Im Gegensatz dazu wurde bei erhöhtem V_G auf positive Werte die Schottky-Barrierehöhe erhöht und der Kanalstrom stark unterdrückt.

Schließlich untersuchten wir die zeitabhängige Photostrom-Untersuchung unter einfallendem Licht verschiedener Leistung. Abbildung 5a zeigt zeitabhängige Photostrommessungen unter verschiedenen einfallenden Lichtleistungen. Dieser Photostrom war groß genug für direkte Messung ohne Stromvorverstärker oder Lock-in-Verstärker, sogar bei mW-optischer Leistung. Abbildung 5b stellt den Photostrom als Funktion der einfallenden optischen Leistung dar. Der Photostrom hatte eine nichtlineare Beziehung zur einfallenden Leistung (I_ph = P^α, α = 0,85). Bei niedrigerer Lichtleistung war der Beitrag des Photogate-Stroms dominant, und der photoleitende Effekt konnte aufgrund verringerter photogenerierter Ladungsträger ignoriert werden. Bei höherer Beleuchtung wurde ein steigender Strom beobachtet, was auf erhöhte photogenerierte Elektronen (photoleitender Effekt) zurückzuführen sein könnte. Das Gerät war empfindlich gegenüber einfallendem Licht und der resultierende Photostrom stand in engem Zusammenhang mit der einfallenden Lichtenergie, was das enorme Potenzial für optische Leistungsüberwachung offenbart. Ein Vergleich optoelektronischer Parameter verschiedener Photodetektoren ist in Tabelle 1 angegeben.

Schlussfolgerungen

Zusammenfassend haben wir einen hochleistungsfähigen Graphen-Nanoband-Photodetektor demonstriert, der in einem weiten Bereich durch externes elektrisches Feld bei Raumtemperatur moduliert werden kann. Ohne externes elektrisches Feld konnte die Geräteleistung durch das lokalisierte Feld an der Si/SiO₂-Grenzfläche gesteigert werden. Das Gerät zeigte eine hohe Photoresponsivität von 800 AW⁻¹ bei V_G = −4 V, was zwei Größenordnungen höher ist als in früheren Untersuchungen. Zudem ist die Struktur unseres Geräts deutlich einfacher als die früherer Graphen-basierter optoelektronischer Geräte mit potenziell breiten Anwendungen. Die Leistung des Graphen-Nanoband-Geräts kann weiter durch h-BN-Einkapselung, Oberflächenplasmonen, ferroelektrische Felder und Hybridstrukturen verbessert werden. Der vorgeschlagene Graphen-Nanoband-Photodetektor eröffnet spannende Möglichkeiten für ultraschnelle und hochempfindliche zukünftige Graphen-basierte Sicherheitsüberwachung, Foto-Kommunikation und Luftfahrtanwendungen.