[論文レビュー] Graphene-Silicon Schottky diodes for photodetection

Antonio Di Bartolomeo, Giuseppe Luongo+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 27, 2017

Semiconductor materials and interfaces被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、平滑およびナノチップパターンを施したn型シリコン基板上にCVD法で成長させたグラフェンを用いたグラフェン-シリコンショットキダイオードにおいて、2.5 A/Wを超える記録的な光起電力効果を達成した。性能の向上は、平滑なジャンクションでは周囲領域からの電荷収集、ナノチップ付近の高電界領域ではインパルスイオン化による内部ゲインに起因する。

ABSTRACT

We present the optoelectronic characterization of two graphene/silicon Schottky junctions, fabricated by transferring CVD-graphene on flat and nanotip-patterned n-Si substrates, respectively. We demonstrate record photo responsivity, exceeding 2.5 A/W under white light, which we attribute to the contribution of charges photogenerated in the surrounding region of the flat junction or to the internal gain by impact ionization caused by the enhanced field on the nanotips.

研究の動機と目的

• 統合型オプトエレクトロニクス応用を目的とした、高効率の光検出器の開発。
• シリコン基板のナノ構造化がグラフェンベースのショットキダイオードにおける光検出効率に与える影響の調査。
• これらのヘテロ構造における高光起電力効果を引き起こす物理的メカニズムの同定。
• 電界強化とキャリア収集の役割が光検出性能の向上に与える影響の探求。
• 同一の照明条件下における平滑な基板とナノチップパターンを施したn-Si基板のグラフェン-シリコンショットキジャンクションのオプトエレクトロニクス的応答の比較。

提案手法

• 化学気相成長（CVD）法を用いてn型シリコン基板上にグラフェンを成長させ、グラフェン-シリコンショットキジャンクションを作製した。
• 機械的転写技術を用いて、CVD法で成長させたグラフェンを平滑およびナノチップパターンを施したn-Si表面にデポした。
• 白色光照射下でのオプトエレクトロニクス的特性評価を行い、光起電力効果および電流-電圧応答を測定した。
• ナノチップ端縁部における電界強化がインパルスイオン化および内部ゲインを促進する役割を分析した。
• ショットキジャンクションのデプレッション領域および周囲領域における電荷収集メカニズムを調査した。
• 電気的測定と光学応答解析を組み合わせ、構造的特徴（例：ナノチップ）と光検出性能の相関を特定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 白色光照射下におけるグラフェン-シリコンショットキダイオードで達成可能な最大光起電力効果は何か？
• RQ2 シリコン基板のナノ構造化がグラフェン-シリコンヘテロジャンクションの光検出効率にどのように影響するか？
• RQ3 キャリア収集やインパルスイオン化などの物理的メカニズムの中で、これらのデバイスにおける高効果を支配するのはどれか？
• RQ4 ナノチップ端縁部における電界強化がグラフェン-シリコンショットキダイオードで内部ゲインを引き起こすことができるか？
• RQ5 同一の照明条件下における平滑な基板とナノチップパターンを施したグラフェン-シリコンジャンクションのオプトエレクトロニクス的応答はどのように比較できるか？

主な発見

• ナノチップパターンを施したn-Si基板上に形成されたグラフェン-シリコンショットキダイオードは、白色光照射下で2.5 A/Wを超える記録的な光起電力効果を達成した。
• ナノチップ構造を有するデバイスにおける高効果は、チップ部における強い電界によって駆動されるインパルスイオン化による内部ゲインに起因する。
• 平滑なジャンクションでは、ショットキジャンクション周囲領域からの効率的な電荷収集が高効果の原因である。
• ナノチップベースのデバイスのオプトエレクトロニクス的応答は、平滑なデバイスと比較して顕著に向上しており、電界強化によるキャリアマルチプライケーションが示唆される。
• 結果から、シリコン基板のナノ構造化がグラフェンベースの光検出器における効果の向上に有効な戦略であることが確認された。
• 本研究では、インターフェースの最適化と電界強化を組み合わせることで、グラフェン-シリコンショットキジャンクションが高効率な光検出を実現できることを示した。