[論文レビュー] Gate-tunable and high responsivity graphene phototransistors on undoped semiconductor substrates

Biddut K. Sarker, Isaac Childres+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 19, 2014

Graphene research and applications参考文献 3被引用数 5

ひとこと要約

本論文では、ドーピングされていない4H-SiC基板上に作製された、ゲートで調整可能な高感度グラフェン光トランジスタを提示する。このデバイスは、基板内の光励起キャリアが誘導する電場効果に起因するフォトレスポンスを活用しており、バックゲートとソース・ドレイン電圧の調整により、室温で約7.4 A/Wの高感度を達成している。これは実用的な要件を大きく上回っており、ドーピングされた基板を用いないにもかかわらず、調整可能で高性能な光検出が可能であることを示している。

ABSTRACT

Due to its high charge carrier mobility, broadband light absorption, and ultrafast carrier dynamics, graphene is a promising material for the development of high-performance photodetectors. Graphene-based photodetectors have been demonstrated to date using monolayer graphene operating in conjunction with either metals or semiconductors. Most graphene devices are fabricated on doped Si substrates with SiO2 dielectric used for back gating. Here, we demonstrate photodetection in graphene field effect phototransistors fabricated on undoped semiconductor (SiC) substrates. The photodetection mechanism relies on the high sensitivity of the graphene conductivity to the local change of the electric field that can result from the photo-excited charge carriers produced in the back-gated semiconductor substrate. We also modeled the device and simulated its operation using the finite element method to validate the existence of the field induced photoresponse mechanism and study its properties. Our graphene phototransistor possesses a room-temperature photoresponsivity as high as ~ 7.4 A/W, higher than the required photoresponsivity (1 A/W) in most practical applications. The light power-dependent photocurrent and photoresponsivity can be tuned by the source-drain bias voltage and back-gate voltage. Graphene phototransistors based on this simple and generic architecture can be fabricated by depositing graphene on a variety of undoped substrates, and are attractive for many applications in which photodetection or radiation detection is sought.

研究の動機と目的

• ドーピングされた基板に依存しない高性能なグラフェン光検出器を開発すること。ドーピングされた基板は不要なドーピングやキャリア散乱を引き起こす可能性がある。
• ドーピングされていない半導体基板内の光励起キャリアが生じる電場を制御することで、グラフェンにおけるゲートで調整可能な光検出を実証すること。
• シンプルでスケーラブルな構造を用いて、大気中条件下で高感度のグラフェン光トランジスタの感度を向上させること。
• 有限要素法（FEM）を用いたシミュレーションにより、電場誘導型フォトリスポンスメカニズムを検証すること。

提案手法

• ドーピングされていない4H-SiC基板上にグラフェンフィールド効果トランジスタを形成し、基板のドーピング効果を排除する。
• 基板自体をバックゲートとして用い、グラフェンの電導度を制御し、フォトリスポンスを調整する。
• 電場分布のモデル化と電場誘導型フォトリスポンスメカニズムの検証のため、有限要素法（FEM）シミュレーションを実施する。
• ソース・ドレイン電圧およびバックゲート電圧を変化させながら、光入射パワー依存性の光電流と感度を測定し、調整可能性を示す。
• グラフェンの広帯域吸収特性と高いキャリア移動度を活用し、フォトリスポンス効率を向上させる。
• 室温でのデバイス特性を評価し、実用応用への適合性を確認する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ドーピングされたSi/SiO2基板の代わりにドーピングされていない半導体基板を用いて、グラフェン光トランジスタで高感度フォトリスポンスを達成できるか？
• RQ2 基板内の光励起キャリアが生じる電場が、グラフェンで測定可能な光電流を生成する役割を果たすか？
• RQ3 ソース・ドレインバイアスおよびゲート電圧を用いて、光電流および感度をどの程度まで調整可能か？
• RQ4 有限要素モデルは、提案された電場誘導型フォトリスポンスメカニズムをどの程度支持するか？
• RQ5 この構造は、大多数の実用的光検出応用に必要な1 A/Wを超える感度を達成できるか？

主な発見

• グラフェン光トランジスタは、室温で約7.4 A/Wのフォトリスポンス感度を達成しており、実用的応用に必要な1 A/Wの閾値を大幅に上回っている。
• ソース・ドレインバイアスとバックゲート電圧の独立的制御により、光電流および感度が広範囲にわたって調整可能であることが確認された。
• 有限要素法シミュレーションにより、ドーピングされていないSiC基板内の光励起キャリアが誘導する電場効果に基づくフォトリスポンスメカニズムの存在が裏付けられた。
• デバイスは室温でも効果的に動作し、実世界の光検出システムへの実用的妥当性を示している。
• この構造は汎用的かつスケーラブルであり、SiCに限らず、他のドーピングされていない半導体基板上でも実装可能である。
• 基板にドーピングがないことでキャリア散乱が最小限に抑えられ、従来のドーピングされたSiベースのデバイスと比較して性能が向上した。