石墨烯纳米带光电探测器中高范围光响应性的动态控制

介绍

石墨烯是一种二维 (2D) 层状材料，在电渗析 [1]、电池 [2]、纳滤 [3]、催化 [4]、电磁干扰 [5] 和光电子学等许多领域都发挥着重要作用。值得注意的是，石墨烯因其新颖的光电特性而备受关注 [6,7,8,9]，例如高载流子迁移率 [10, 11]、零带隙 [12,13,14] 和可调费米能级 [ 15]。因此，石墨烯被认为是一种有吸引力的光电应用材料 [16,17,18]。然而，单层石墨烯由于其薄的厚度而导致的低吸收（~2.3%）仍然是一个关键挑战[19]。另一方面，其零带隙特性严重限制了光电应用，这会导致光生载流子寿命 (~ps) 短并导致电子 - 空穴快速复合 [20, 21]。因此，进一步提高原始石墨烯光电探测器的响应率仍然具有挑战性，分离电子和空穴以产生有效的光电流具有相当大的意义。

为了克服这些挑战，已经探索了各种技术，并相应地增强了基于石墨烯的光电探测器的光响应性。通常在基于低维材料及其混合结构的光电探测器中观察到的光门效应 [22] 在光电探测器的高性能中起着至关重要的作用。已经报道了基于 MoTe2 [23] 和 MoS2 [24] 的利用光选通效应的光电探测器，并且还实现了基于利用光选通效应的石墨烯的优异性能的光电探测器。结果表明，石墨烯和 PbS 量子点的结合是增强光吸收并在石墨烯光电探测器中实现超高增益的有效方法 [25]。此外，在基于异质结构的光电探测器中，电子和空穴的复合也可以被最小化，例如石墨烯-Ta2O5-石墨烯 [26]，其中光致电子-空穴对通过量子隧道效应分离，导致极大的增强光响应性和增益。由于载流子在 PbS 量子点或 Ta2O5 隧道势垒中的长捕获时间，这种混合结构光电探测器的响应时间严重增加。因此，迫切需要基于石墨烯的光电探测器在响应率、响应时间和光谱响应方面具有优异的性能。

在这里，我们提出了一种基于 20 纳米宽石墨烯纳米带的光电探测器，并证明了其光响应性（高达 800 AW ⁻¹ ) 和快速响应速度 (~ 10 μs)。如此高的性能主要归因于 GNR 中相当大的带隙，并通过硅/氧化硅 (Si/SiO2) 界面处的光门控效应增强。探测器的物理机制由能带图解释。此外，基于 GNR 的光电探测器可以通过源漏电压和背栅电压进行调谐。观察到的高性能为开发高响应度和超快石墨烯光电探测器奠定了基础。

实验方法

通过 3M 胶带微机械劈裂技术将石墨烯片从石墨块（ZYA 级，SPI Supplies）上剥离到 Si 衬底（覆盖有 300 nm SiO2）上。使用反应离子蚀刻（RIE，PE-3A）和电子束光刻（EBL，Raith BV EBPG5150）制造宽度为 20 nm 的石墨烯纳米带。在此之后，SiO2 电介质上的单层石墨烯和石墨烯纳米带通过光学显微镜和拉曼光谱 (WITec Alpha 300R) 进行表征。 Ti/Au (20 nm/80 nm) 的标准光刻和电子束蒸发用于创建源电极和漏电极。制造了 8 个器件（16 个 GNR），其中 5 个具有优异的性能。所有测量均通过由激光光源、光斩波器、4 探针台和半导体参数分析仪组成的自制系统进行。使用较低掺杂的硅（P 型 10-20 Ω cm）衬底来增强光门控效果。采用波长约为 632 nm 的 Ti:Sapphire 可见光激光器在 6.25 mm ² 区域内产生激光脉冲 在室温下。入射光的频率用光斩波器调制在 5 Hz 到 50000 Hz 的范围内。此外，入射激光功率可以从 0.34 mW 调整到 5 mW。图中显示的数据，包括电流（图 1c、d、2a-d、3a、b、4a-d 和 5a、b），是从有或没有照明的半导体参数分析仪（Agilent，B1500A）中获得的.所有光响应测量均在环境条件下进行。

一 GRN 光电探测器的示意图。它类似于 FET 器件，由 Si/SiO2 衬底上的源极和漏极电极组成，其中轻掺杂的 Si 晶片充当背栅。入射光由可变频率的光斩波器调制。 b GRN 光电探测器器件的 SEM 图像。 c GRN 器件在不同背栅电压下的电流-电压 (I-V) 特性。插图：设备在黑暗（红线）或频率为 10 Hz 的照明（蓝线）下的 I-V 特性。 d 室温下 GNR 光电探测器的源漏电流与背栅电压偏置关系。插图：GNR能带结构示意图

一 在室温下在开-关光 (632 nm) 调制下，器件的时间相关光电流测量没有背栅和源漏电压的偏置。在频率为 40 Hz (b ), 400 赫兹 (c ) 和 5000 Hz (d ）。 e GNR光电探测器示意图。 f 光照射下 Si 和 SiO2 之间界面的能量图。 E C、E V, E fs 和 E VAC 分别是导带、价带、费米能级和真空能级。 E f 和 E f' 是将电子注入 GNR 通道之前和之后的费米能级。 E g' 是 GNR 的带隙。说明了两个过程：（I）在 Si 和 SiO2 照射下从值带到导带的电子跃迁； (II) SiO2 到 Si 的空穴转移和光子激发载流子漂移通过内置场

一 光电流依赖于偏置的源漏电压。 GRN 光电探测器在背栅电压偏置下的光电流、背景电流和光响应电流测量。随着偏置源漏电压的增加，光电流的降低有助于提高光生电子空穴对的分离效率。 b 光电流依赖于背栅电压。源漏电压偏置时光电流特性的偏置背栅电压依赖性。结果表明，可以通过偏置源漏电压和栅极电压来调节光电流

光响应依赖于偏置的源漏电压和栅极电压。 一 和 b 分别揭示了光响应性和增益的源漏电压依赖性，c 和 d 分别显示了光响应性和增益的背栅电压依赖性

一 不同入射光功率下的瞬态光电流测量。 b 光电流特性的功率依赖性。结果表明，GRN光电探测器具有高光敏特性，可实现mW级输入光功率检测

结果与讨论

GNR 有望成为光电探测的理想载体。我们制造的 GNR 光电探测器由 Si/SiO2 衬底上的源电极和漏电极组成，其中轻掺杂的硅晶片作为背栅，如图 1a 所示。为了确保高迁移率并同时获得足够大的带隙，石墨烯纳米带的宽度选择为适中的 20 nm。 GNRs 的完整结构显示在扫描电子显微镜图像中（图 1b），石墨烯纳米带的长度为 2 μm。与传统的光电探测器不同，采用轻掺杂Si作为衬底的原因是其载流子寿命远长于重掺杂Si[27]。

反复进行电气表征，随后的 I-V S − D 关系绘制在图 1c 中。在 – 10 V 到 10 V 范围内不同背栅电压下的曲线是非线性和不对称的，表明内部电场的存在，这可能是由制造引起的缺陷或电极接触处的肖特基势垒引起的.内部电场对 GNR 光电探测器的光电流有不可忽视的影响，这将在后面说明。插图是器件在黑暗和照明（施加频率为 10 Hz 的激光脉冲）下的 I-V 特性的比较，体现了灵敏的光开关可调性。显然，I-V 曲线随着 V G 多变。进一步计算 VG 的影响 关于 GNR 通道的电荷传输特性，在室温下记录暗状态下的传输特性，如图 1d 所示。测量的 I D – V G V 处的曲线 SD =10 mV表明我们的器件表现出石墨烯基光电探测器的典型行为，GNRs作为p型通道，位移为20 V。

对于典型的光电系统，光电探测器的响应速度（表征为输出从脉冲峰值的 10（90）% 上升（下降）到 90（10）% 所需的总时间）决定了运行速度和信息容量光电探测系统。为了研究所制造器件的最终响应时间，应用了具有 40 Hz、400 Hz 和 50,000 Hz 不同脉冲频率的输入光信号。图 2b-d 显示了相应的时间分辨总光电流，这直观地反映了制造的光电探测器可以有效地打开和关闭，并具有出色的可重复性。此外，当激光频率调整到 50,000 Hz 时，测量的上升时间为 10 μs。我们认为我们的设备有望在 50,000 Hz 以上的更高频率下运行，由于测量设备的限制，响应速度的准确值尚不清楚。值得注意的是，GNR 光电探测器的运行速度比大多数基于石墨烯和其他 2D TMD 的光电探测器快得多 [28,29,30,31]。据信，这种宽度的GNRs具有超高的载流子迁移率和强大的外部电场，从而实现了快速的光电流切换。

除了响应速度快之外，高响应度和增强的增益对于光电探测器的应用也是必不可少的。因此，通过在室温下对整个器件施加光，我们进一步研究了没有源漏偏置和背栅电压的 GNR 光电探测器的光响应。图 2a 显示了在开关光调制下没有偏置电压的情况下器件的时间相关光电流测量值。观察到的光电流为 275 nA(I 照度 =293 nA，I 暗 =18 nA) 在照明下，这表明 R 的高光响应性 =17.2 AW ⁻¹ 和 G 的高增益 =1465，通过以下两个方程计算：

其中我 P (275 nA) 是光电流，而 S L (6.25 毫米 ² ) 和 S G (2 μm×10 μm) 分别为激光和 GNR 的实际面积，P (5 mW) 是波长为 λ 的入射激光的功率 在 (532 纳米)。必须探索 GNR 光电探测器的光电流产生机制，以阐明我们器件的高性能。基于二维材料的光电探测器主要有两种光电流产生机制：光电导效应（PC）和光伏效应（PV）[32]。

在不施加源漏偏置的情况下，由于在 GNR 和电极之间形成了两个内置电场，因此 PV 负责产生光电流。由于制造过程中形成的缺陷，两个电场的大小不同。当光到达Au-GNRs界面区域时，产生光生电子-空穴对并随后被内置场分开，这对光电流的产生做出了重大贡献。然而，在源漏偏压下，Au-GNRs 界面处的两个内置电场在光电流产生中几乎没有发挥作用。因此，在施加源漏偏压的情况下，PC 在光电流产生中发挥了最关键的作用。吸收光子后，GNR 通道产生更多的自由载流子，降低了载流子通道的电阻。因此，显着的光电流 I P =\( \frac{V_{OC}}{R_G} \)( V OC 代表开路电压和 R G 是观察到的16个石墨烯纳米带形成的通道的总电阻。

从图 2a-d 中可以看出，μA 观察到-级光电流，这可能是由于三个方面的贡献。一是由于 GNR 中的带隙导致电子-空穴对复合率降低。另一个是光生电子在从价带过渡到导带的过程中被 GNR 的边缘缺陷诱导的中带隙状态 [33] 捕获。因此，在空穴和被捕获电子复合之前，空穴可以在漏源电极之间循环形成光电流，从而实现高增益。第三个方面是电子在SiO2/Si界面的积累相当于施加了垂直电场，从而大大增强了沟道的电导。此外，在图 2a-d 中，获得的光电流几乎不依赖于由光学斩波器调制的入射光频率，这类似于报道的 MoS2 光电探测器 [24]。当光的频率由斩波器调节时，光电导效应在 GNR 光电探测器的光电流产生中起主要作用。然而，当器件暴露于光（0 Hz）时，在载流子产生过程中会产生显着的光门控效应，导致半导体内的俘获和复合。

上面讨论的第三个方面的详细物理过程在图 2e、f 中得到了证明。为了在黑暗中达到平衡状态，由于两种材料之间的费米能级差异，电子将从 SiO2 扩散到 Si，这导致 Si/SiO2 界面处的能带弯曲。结果，在耗尽区形成了强大的内建电场（E），有效地分离了光生电子 - 空穴对，电子移动到 Si 和 SiO2 之间的界面，而空穴转移到了内部区域。西。然后电子在SiO2/Si界面处积累，这些被捕获的电子向GNRs施加额外的负垂直电压，这些电子的存在增加了空穴浓度并相应地降低了GNR通道的费米能级。

尽管该器件显示出高性能，但重要的是寻找几种有效的方法来显着提高器件的光电流和响应度。然后，系统地研究了源漏偏置和栅极电压对光电流的影响。图 3a 显示了光电流 (I 激光），背景电流（I 暗）和光响应电流（I ph) 作为源漏电压函数的测量值 (− 3 V ≤V S − D ≤ 10 V) 在固定栅极电压下。 V 光电流不为零 S − D =0 并且随着源漏电压非线性增加，也证明了内置电场的存在。很明显，光电流值强烈依赖于源漏偏压。

对源漏电压可调性的一个令人信服的解释是光电流、背景电流和光响应电流之间的关系可以表示为 I 照明 =I ph + 我 黑暗，在我 ph 和 I 暗随着漏源电压 V 而增加 S − D 因为在外电场作用下，载流子的漂移速度上升，载流子渡越时间减少[34]。因此，光生载流子的分离效率提高，显着有助于大光电流。这种现象表明GNR通道的总电场，内电场和外电场的总和，可以由V调制 S − D .

此外，考虑到 GNR 的栅极可调载流子密度，我们通过调节背栅电压有效地调节了我们器件的光电流。图 3b 显示了这三种电流 (I 照明，I ph 和 I 暗 ) 作为背栅电压的函数 (− 5 V ≤ VG ≤ 5 V) 在 V S − D =0。一般情况下，光电流与栅极电压的绝对值呈正相关，因为GNR的载流子密度对外部垂直电场敏感。有趣的是，当栅极电压为负时 (− 5 V ≤ VG ≤ 0 V)，而当栅极电压为正 (0 V ≤VG ≤ 5 伏）。这种现象可以通过 GNR 通道的 p 型行为来解释，这与图 2d 中的观察结果非常吻合。结果表明，增加的|VG |可以将通道的费米能级调谐得更接近价带（或导带），并且 GNR 通道的电导是可门调谐的。值得注意的是，对于两种调制方法（源漏电压和背栅电压），光电流的可调性均在从 nA 级到 μA 级的超宽范围内进行。

此外，还可以通过调节 GNR 光电探测器的栅极电压和源漏电压来有效地调制响应度和增益。计算了源漏偏置的增益和光响应性依赖性 [根据方程。 (1) 和 (2)] 并随后绘制在图 4a、b 中。对于基于 GNRs 的光电探测器，增益与 V 之间的关系 S − D 由以下公式给出：

其中 τ 是过剩空穴寿命（陷阱空穴寿命），τ T =l ² /(μV S − D ) 是承运人的运输时间，而 l 是通道的长度，μ 是载流子迁移率，而 V S − D 是源漏偏置。因此，增益和源漏电压呈现正相关。显然，G 线性依赖于源漏偏置。因此，R 的最大光响应度 =170 AW ⁻¹ 和 G 的最大增益 =14,500 在室温下达到 V S − D =0.5 V，与之前基于石墨烯纳米结构的光电探测器相比提高了 100 倍 [26, 35, 36]。更重要的是，增益和光响应度的值没有饱和。因此，如果施加更大的漏源电压，可以获得更高的增益和光响应。

图 4c、d 显示，通过施加背栅偏置来提高 GNR 的载流子浓度，也可以增强光响应性和增益。 R 的最大光响应度 =800 AW ⁻¹ 和 G 的最大增益 =22400 在 VG 获得 =- 4 V。这个光响应的最大值比纯石墨烯光电探测器高五个数量级（~ 10 mAW ⁻¹ ) [37]。此外，增益和光响应度都没有饱和，因此，可以通过施加更大的背栅电压来实现更高的光响应度。除了载流子浓度外，另一个显着影响沟道电流的因素是接触电阻（R C ) 在 Au 电极和 GNR 之间，这与界面处的肖特基势垒高度密不可分 [34]。由于 GNR 作为 p 型通道，当应用负 V G，由于较低的费米能级，肖特基势垒高度降低。相反，当 V G 增加到正值，肖特基势垒高度增强，沟道电流得到极大抑制。

最后，我们转向功率入射光下光电流的时间依赖性研究。图 5a 显示了在不同入射光功率下随时间变化的光电流测量结果。该光电流足够大，无需任何电流前置放大器或锁定放大器即可直接测量，即使在 mW 级光功率下也是如此。图 5b 绘制了作为入射光功率函数的光电流。光电流与入射功率(I ph =P ^α , α =0.85)。在较低的光功率下，光栅极电流的贡献占主导地位，由于光生载流子数量的减少，光导效应可以忽略不计[23]。相反，在更高的光照下，观察到电流增加，这可能归因于光生电子数量的增加（光电导效应）。此外，该器件对入射光敏感，产生的光电流与入射光能量密切相关，揭示了光功率监测的巨大潜力。各种光电探测器的光电参数对比见表1。

结论

总之，我们已经展示了一种高性能石墨烯纳米带光电探测器，该探测器在室温下通过外部电场在宽范围内进行调制。同时，在没有外部电场的情况下，Si/SiO2 界面处的局域场可以提高器件的性能。该器件表现出 800 AW ⁻¹ 的高光响应性 在 V G =− 4 V，比之前的研究高两个数量级。此外，与具有潜在广泛应用的先前基于石墨烯的光电器件相比，我们器件的结构要简单得多。石墨烯纳米带器件的性能可以通过 h-BN 封装、表面等离子体激元、铁电场和混合结构进一步提高。所提出的石墨烯纳米带光电探测器为未来基于石墨烯的安全监测、光通信和航空应用的超快和高灵敏度开辟了令人兴奋的机会。