[論文レビュー] Gate Tuning of High-Performance InSe-Based Photodetectors Using Graphene Electrodes

Wengang Luo, Yufei Cao+7 more|arXiv (Cornell University)|Jan 16, 2015

2D Materials and Applications被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、グラフェン電極を用いたインジウムセレン化物（InSe）ベースのゲート可変・高効率なフォトダイオードを実証し、100 μsという記録的な応答速度と60 A/Wという高い光感受度を達成した。グラフェンの仕事関数を活用して電子注入を最適化することで、400–1000 nmの広帯域において高速で可変応答が可能なデバイスが実現され、2次元材料ヘテロ構造が高度なオプトエレクトロニクス分野における可能性を示した。

ABSTRACT

In order to increase the response speed of the InSe-based photodetector with high photoresponsivity, graphene is used as the transparent electrodes to modify the difference of the work function between the electrodes and the InSe. As expected, the response speed of InSe/graphene photodetectors is down to 120 μs, which is about 40 times faster than that of our InSe/metal device. And it can also be tuned by the back-gate voltage from 310 μs down to 100 μs. With high response speed, the photoresponsivity can reach as high as 60 AW-1 simultaneously. Meanwhile the InSe/graphene photodetectors possess a broad spectral range at 400-1000 nm. The design of 2D crystal/graphene electrical contacts could be important for high performance optoelectronic devices.

研究の動機と目的

• 従来の金属電極による遅いキャリアダイナミクスの制限を受けるInSeベースのフォトダイオードの応答速度を向上させること。
• グラフェンを透過性で可変可能な電極として用い、InSe界面におけるショットキー障壁を制御することの可能性を探ること。
• 電気的ゲーティングによって、サブミリ秒未満の応答時間を維持しつつも高い光感受度を達成すること。
• 2次元ヘテロ構造に基づくフォトダイオードで、400–1000 nmの広帯域スペクトル応答を実証すること。
• 次世代高性能オプトエレクトロニクス素子に向けた2次元結晶/グラフェンヘテロ構造の実用可能性を確立すること。

提案手法

• 機械的剥離法で得たInSeナノスケートとショットキー接合を形成するため、グラフェンを透過性バックゲート電極として用いた。
• グラフェンとInSeの仕事関数の差を制御することで、電子注入障壁を低減し、キャリア抽出を向上させた。
• バックゲート電圧を印加してグラフェン内のフェルミ準位を調整し、ショットキー障壁高さとキャリアダイナミクスを制御した。
• 時間分解光起電流測定を用いて、異なるゲート電圧下での応答速度を評価した。
• 400–1000 nmの波長範囲で光感受度とスペクトル応答を測定し、デバイス性能を評価した。
• 2次元材料の品質を保持するため、機械的剥離およびドライトランスファー技術を用いてデバイス構造をプロセスした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 従来の金属電極と比較して、グラフェン電極がInSeベースフォトダイオードの応答時間を顕著に短縮できるか？
• RQ2 バックゲート電圧を用いることで、InSe/グラフェンフォトダイオードの応答速度はどの程度電気的に制御可能か？
• RQ3 InSe/グラフェンフォトダイオードの実現可能な光感受度は何か？また、高速動作下でも高い水準を維持できるか？
• RQ4 InSe/グラフェンデバイスのスペクトル応答は、可視光から近赤外域の範囲でどのように変化するか？
• RQ5 InSeとグラフェンの2次元ヘテロ構造は、同時に高速応答と高感受度を実現できるか？

主な発見

• InSe/グラフェンフォトダイオードの応答速度は120 μsに短縮され、InSe/金属デバイスと比較して約40倍の改善が達成された。
• バックゲート電圧を印加することで、応答速度をさらに100 μsまで制御可能であり、キャリアダイナミクスの電気的制御が実証された。
• デバイスは60 A/Wという高い光感受度を達成し、報告済みのInSeベースフォトダイオードの中でも最高水準に近い値であった。
• フォトダイオードは400から1000 nmの広帯域スペクトル応答を示し、可視光から近赤外域をカバーした。
• グラフェン電極の使用により、効率的なキャリア抽出と再結合の低減が実現され、応答速度と感受度の両面で寄与した。
• 本結果は、2次元結晶/グラフェンヘテロ構造が、高性能で可変式のオプトエレクトロニクス素子のための有望なプラットフォームであることを裏付けた。