Control dinámico de la fotorrespuesta de alto rango en un fotodetector de nanocintas de grafeno

Resultados y discusión

Se espera que los GNR sean un portador ideal para la fotodetección. El fotodetector GNR que fabricamos estaba compuesto por la fuente y los electrodos de drenaje en un Si / SiO ₂ sustrato con una oblea de silicio ligeramente dopada que actúa como puerta trasera, como se muestra esquemáticamente en la Fig. 1a. Para asegurar la alta movilidad y obtener simultáneamente una banda prohibida lo suficientemente grande, se eligió que el ancho de las nanocintas de grafeno fuera de 20 nm moderado. La estructura completa de los GNR se muestra en la imagen del microscopio electrónico de barrido (Fig. 1b), y la longitud de las nanocintas de grafeno fue de 2 μm. A diferencia de los fotodetectores convencionales, el Si ligeramente dopado se adoptó como sustrato por la razón de que su vida útil es mucho más larga que la del Si fuertemente dopado [27].

La caracterización eléctrica se llevó a cabo en repetidas ocasiones y el consiguiente I- V _{S - D} La relación se representa en la Fig. 1c. Las curvas bajo diferentes voltajes de puerta trasera en un rango de - 10 V a 10 V son no lineales y asimétricas, lo que indica la existencia del campo eléctrico interno, que podría ser el resultado de los defectos inducidos por la fabricación o la barrera de Schottky en los contactos de los electrodos. . El campo eléctrico interno tuvo un efecto nada despreciable en la fotocorriente del fotodetector GNR, que se ilustrará más adelante. El recuadro es la comparación de las características I-V del dispositivo en condiciones de oscuridad e iluminación (aplicando un pulso de láser con una frecuencia de 10 Hz), lo que manifiesta la sensibilidad sensible a la sintonización de conmutación óptica. Obviamente, la curva I-V se desplazó a medida que V _G variado. Para conocer mejor el efecto de V _G Sobre las características de transporte de carga del canal GNR, las características de transferencia en el estado oscuro se registraron a temperatura ambiente como se muestra en la Fig. 1d. El I medido _D - V _G curva en V _SD =10 mV demostró que nuestro dispositivo mostraba un comportamiento típico del fotodetector basado en grafeno, y los GNR actuaban como un canal de tipo p con un desplazamiento de 20 V.

Para los sistemas optoelectrónicos típicos, la velocidad de respuesta (caracterizada por el tiempo total requerido para que la salida aumente (disminuya) del 10 (90)% al 90 (10)% del pico de pulso) de un fotodetector determina la velocidad de funcionamiento y la capacidad de información del sistema de fotodetección. Para investigar el tiempo de respuesta final del dispositivo fabricado, se aplicó la señal óptica de entrada con diferentes frecuencias de pulso de 40 Hz, 400 Hz y 50 000 Hz. Las Fig. 2b-d muestran las correspondientes fotocorriente totales resueltas en el tiempo, que reflejan intuitivamente que el fotodetector fabricado podría encenderse y apagarse de manera eficiente con una excelente repetibilidad. Además, cuando la frecuencia del láser se ajustó a 50.000 Hz, el tiempo de aumento se midió en 10 µs. Creemos que se espera que nuestro dispositivo funcione a frecuencias superiores a 50.000 Hz, y el valor exacto de la velocidad de respuesta no está claro debido a la limitación del equipo de medición. Se observó que el fotodetector GNR funciona mucho más rápido que la mayoría de los fotodetectores basados ​​en grafeno y otros TMD 2D [28, 29, 30, 31]. Se cree que la rápida conmutación de la fotocorriente se puede atribuir a la movilidad de portadora ultra alta de los GNR de tal ancho y al fuerte campo eléctrico externo.

Además de la rápida velocidad de respuesta, la alta capacidad de respuesta y la ganancia mejorada son indispensables para la aplicación del fotodetector. Por lo tanto, mediante la aplicación de luz en todo el dispositivo a temperatura ambiente, estudiamos más a fondo la fotorrespuesta del fotodetector GNR sin polarización de drenaje de fuente y voltaje de puerta trasera. La Figura 2a presenta las mediciones de fotocorriente dependientes del tiempo del dispositivo en ausencia de voltaje polarizado bajo modulación de luz de encendido-apagado. La fotocorriente observada fue 275 nA ( I _iluminación =293 nA, I _oscuro =18 nA) bajo iluminación, lo que indica una alta fotorrespuesta de R =17.2 AW ⁻¹ y una alta ganancia de G =1465 también, calculado mediante las siguientes dos ecuaciones:

donde yo _P (275 nA) es la fotocorriente, mientras que S _L (6,25 mm ² ) y S _G (2 μm × 10 μm) son el área real del láser y el GNR, respectivamente, y P (5 mW) es la potencia del láser incidente con una longitud de onda de λ _en (532 nm). Es fundamental explorar el mecanismo de generación de fotocorriente de los fotodetectores GNR para aclarar el alto rendimiento de nuestros dispositivos. Para los fotodetectores basados ​​en materiales bidimensionales, existen principalmente dos mecanismos de generación de fotocorriente:el efecto fotoconductor (PC) y el efecto fotovoltaico (PV) [32].

Sin aplicar un sesgo de fuente-drenaje, PV fue responsable de la generación de fotocorriente ya que los dos campos eléctricos incorporados se formaron entre los GNR y los electrodos. Los dos campos eléctricos no tenían la misma magnitud debido a defectos formados en el proceso de fabricación. Cuando la luz alcanzó la región en la interfaz Au-GNR, se generaron los pares de agujeros de electrones fotogenerados y, posteriormente, se separaron mediante los campos incorporados, lo que hizo una contribución significativa a la generación de fotocorriente. Sin embargo, bajo un sesgo de fuente-drenaje, los dos campos eléctricos integrados en la interfaz Au-GNR desempeñaron un papel pequeño en la generación de fotocorriente. Por lo tanto, la PC jugó el papel más crucial en la generación de fotocorriente en el caso de aplicar un sesgo de fuente-drenaje. Después de absorber fotones, el canal GNR generó más portadores libres, reduciendo la resistencia de los canales portadores. Por lo tanto, una fotocorriente significativa I _P =\ (\ frac {V_ {OC}} {R_G} \) ( V _OC representa el voltaje de circuito abierto y R _G es la resistencia total del canal formado por las 16 nanocintas de grafeno).

Como se puede ver en la Fig. 2a – d, a μA -Se observó fotocorriente de nivel, lo que podría deberse al aporte de tres aspectos. Una fue que la tasa de recombinación del par electrón-hueco se redujo como resultado de la banda prohibida en los GNR. La otra fue que los electrones fotogenerados fueron capturados durante la transición de la banda de valencia a la banda de conducción por los estados midgap [33] inducidos por los defectos de los bordes de los GNR. Por lo tanto, antes de que los huecos y los electrones atrapados se recombinen, los huecos podrían circular entre los electrodos de drenaje-fuente para formar la fotocorriente, logrando una alta ganancia. El tercer aspecto fue que la acumulación de electrones en el SiO ₂ La interfaz / Si era equivalente a aplicar un campo eléctrico vertical y, por lo tanto, la conductancia del canal se mejoró considerablemente. Además, en la Fig. 2a-d, la fotocorriente obtenida tenía poca dependencia de la frecuencia de la luz incidente modulada por un helicóptero óptico, que es similar al MoS ₂ informado fotodetector [24]. El efecto fotoconductor jugó el papel principal en la generación de fotocorriente del fotodetector GNR cuando la frecuencia de la luz fue regulada por el helicóptero. Sin embargo, cuando el dispositivo se expone a la luz (0 Hz), el efecto de fotoreferencia sería significativo en el proceso de generación de portadores, lo que daría lugar a la captura y recombinación dentro de los semiconductores.

El proceso físico detallado del tercer aspecto discutido anteriormente se demostró en la Fig. 2e, f. Para lograr un estado de equilibrio en la oscuridad, los electrones se difundirían desde SiO ₂ a Si debido a la diferencia de niveles de Fermi entre los dos materiales, lo que llevó a la flexión de la banda de energía en el Si / SiO ₂ interfaz. Como resultado, se formó un fuerte campo eléctrico incorporado (E) en la región de agotamiento, que separó de manera eficiente los pares de electrones y huecos fotogenerados con los electrones moviéndose hacia la interfaz entre Si y SiO ₂ mientras que los agujeros se transfieren a la región interior de Si. Luego, los electrones se acumularon en el SiO ₂ / Si, y estos electrones atrapados aplicaron un voltaje vertical negativo adicional a los GNR, donde la presencia de estos electrones aumentó la concentración del agujero y redujo el nivel de Fermi del canal GNR en consecuencia.

Aunque el dispositivo muestra un alto rendimiento, es importante buscar varios enfoques efectivos para aumentar significativamente la fotocorriente y la capacidad de respuesta del dispositivo. Luego, se investigaron sistemáticamente los efectos de la polarización fuente-drenaje y el voltaje de la puerta sobre la fotocorriente. La Figura 3a muestra los resultados de la fotocorriente ( I _láser ), fondo actual ( I _oscuro ) y la fotoresponsa actual ( I _ph ) mediciones en función de la tensión fuente-drenaje (- 3 V ≤ V _{S - D} ≤ 10 V) a una tensión de puerta fija. La fotocorriente no era cero en V _{S - D} =0 y aumentó de forma no lineal con la tensión fuente-drenaje, lo que también demuestra la existencia de un campo eléctrico incorporado. Está claro que el valor de la fotocorriente dependía en gran medida del sesgo fuente-drenaje.

Una explicación convincente de la capacidad de sintonización a través del voltaje fuente-drenaje es que la relación entre la fotocorriente, la corriente de fondo y la corriente de fotorrespuesta se puede expresar como I _iluminación = yo _ph + yo _oscuro , donde yo _ph y yo _oscuro aumenta con el voltaje de la fuente de drenaje V _{S - D} porque la velocidad de deriva de los portadores aumentó y el tiempo de tránsito del portador se redujo bajo un campo eléctrico externo [34]. Por lo tanto, la eficiencia de separación de los portadores fotogenerados mejoró, contribuyendo significativamente a la gran fotocorriente. Tal fenómeno indica que el campo eléctrico total del canal GNR, la suma del campo eléctrico interno y el campo eléctrico externo, puede ser modulado por V _{S - D} .

Además, considerando la densidad de portadora sintonizable en la puerta de GNR, la fotocorriente de nuestro dispositivo se ajustó de manera efectiva modulando el voltaje de la puerta trasera. La Figura 3b muestra estos tres tipos de corrientes ( I _iluminación , yo _ph y yo _oscuro ) en función de la tensión de puerta trasera (- 5 V ≤ V _G ≤ 5 V) en V _{S - D} =0. En general, la fotocorriente se correlacionó positivamente con el valor absoluto del voltaje de la puerta, porque la densidad de portadora de GNR era sensible al campo eléctrico vertical externo. Curiosamente, la fotocorriente aumentó a medida que aumentaba el voltaje de la puerta cuando el voltaje de la puerta era negativo (- 5 V ≤V _G ≤ 0 V), y ocurrió lo contrario cuando el voltaje de la puerta era positivo (0 V ≤V _G ≤ 5 V). Este fenómeno podría explicarse por el comportamiento de tipo p del canal GNR, que concuerda bien con la observación de la Fig. 2d. Los resultados indican que el aumento de | V _G | puede sintonizar el nivel de Fermi del canal más cerca de la banda de valencia (o banda de conducción) y la conductancia del canal GNR se puede sintonizar en la puerta. En particular, para ambos métodos de modulación (voltaje de fuente-drenaje y voltaje de puerta trasera), se demostró la capacidad de sintonización de la fotocorriente en un rango ultra amplio desde el nivel nA al nivel μA.

Además, la capacidad de respuesta y la ganancia también podrían modularse de manera eficiente regulando el voltaje de la puerta y el voltaje de fuente-drenaje del fotodetector GNR. Se calculó la dependencia de la ganancia y la fotorrespuesta del sesgo fuente-drenaje [según las Ecs. (1) y (2)] y posteriormente graficados en la Fig. 4a, b. Para el fotodetector basado en GNR, la relación entre la ganancia y V _{S - D} viene dada por la siguiente fórmula:

donde τ es el exceso de vida útil del pozo (vida útil del pozo atrapado) y τ _T = l ² / ( μV _{S - D} ) es el tiempo de tránsito del transportista, mientras que l es la longitud del canal y μ es la movilidad del portador, mientras que V _{S - D} es el sesgo fuente-drenaje. Por lo tanto, la ganancia y el voltaje fuente-drenaje exhiben una correlación positiva. Aparentemente, G depende linealmente del sesgo fuente-drenaje. Como resultado, la máxima fotorrespuesta de R =170 AW ⁻¹ y la ganancia máxima de G =14,500 se lograron a temperatura ambiente a V _{S - D} =0,5 V, lo que supuso una mejora de 100 veces con respecto a los fotodetectores anteriores basados ​​en nanoestructuras de grafeno [26, 35, 36]. Más importante aún, los valores de ganancia y fotorreactividad no se saturaron. En consecuencia, se podría lograr una mayor ganancia y fotorrespuesta si se aplicara un voltaje de fuente de drenaje mayor.

La Figura 4c, d muestra que la fotorreactividad y la ganancia también podrían mejorarse aplicando un sesgo de puerta trasera para mejorar la concentración de portadora de los GNR. La fotorreactividad máxima de R =800 AW ⁻¹ y la ganancia máxima de G =22400 se obtuvieron en V _G =- 4 V. Este valor máximo de fotorrespuesta fue cinco órdenes de magnitud mayor que el de los fotodetectores de grafeno puro (~ 10 mAW ⁻¹ ) [37]. Además, tanto la ganancia como la fotorrespuesta no estaban saturadas, por lo tanto, se podría lograr una mayor fotorrespuesta aplicando un voltaje de puerta trasera mayor. Además de la concentración del portador, otro factor que influyó significativamente en la corriente del canal fue la resistencia de contacto ( R _C ) entre los electrodos de Au y los GNR, que estaba inseparablemente relacionado con la altura de la barrera de Schottky en la interfaz [34]. Como los GNR sirvieron como un canal de tipo p, al aplicar un V negativo _G , la altura de la barrera Schottky se redujo debido al nivel más bajo de Fermi. En contraste, cuando el V _G se aumentó a un valor positivo, se aumentó la altura de la barrera Schottky y se suprimió en gran medida la corriente en el canal.

Finalmente, pasamos a la investigación de la dependencia del tiempo de la fotocorriente bajo la luz incidente del poder. La Figura 5a muestra mediciones de fotocorriente dependientes del tiempo bajo las diferentes potencias de la luz incidente. Esta fotocorriente era lo suficientemente grande para la medición directa sin ningún preamplificador de corriente o amplificadores de bloqueo, incluso a un nivel de potencia óptica de mW. La Figura 5b traza la fotocorriente en función de la potencia óptica incidente. La fotocorriente tenía una relación no lineal con la potencia incidente ( I _ph =P ^α , α =0,85). Con una potencia de luz más baja, la contribución de la corriente de la fotopuerta fue dominante, y el efecto fotoconductor podría ignorarse debido a una disminución en el número de portadores fotogenerados [23]. Con una iluminación de luz más alta, por el contrario, se observó una corriente creciente, que podría atribuirse al mayor número de electrones fotogenerados (efecto fotoconductor). Además, el dispositivo era sensible a la luz incidente y la fotocorriente resultante estaba estrechamente relacionada con la energía de la luz incidente, revelando el tremendo potencial del monitor de potencia óptica. En la Tabla 1 se proporciona una comparación de los parámetros optoelectrónicos en varios fotodetectores.