[論文レビュー] Ultralow-noise terahertz detection by p-n junctions in gapped bilayer graphene

Elena Titova, Dmitry Mylnikov+7 more|arXiv (Cornell University)|Dec 10, 2022

Graphene research and applications被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、調整可能なバンドギャップと高移動度ヘテロ構造を活用することで、ギャップ付き二層グラフェン p-n 結節における超低ノイズ帯域THz検出を実証した。デバイスは4.2 Kで2.5 × 10⁻¹⁹ W/Hz¹ᐟ²という記録的な低等価ノイズ電力（NEP）を達成し、ゼロバイアスでの光起電力生成によって高感度THz検出を実現した。

ABSTRACT

Graphene shows a strong promise for detection of terahertz (THz) radiation due to its high carrier mobility, compatibility with on-chip waveguides and transistors, and small heat capacitance. At the same time, weak reaction of graphene's physical properties on the detected radiation can be traced down to the absence of band gap. Here, we study the effect of electrically-induced band gap on THz detection in graphene bilayer with split-gate p-n junction. We show that gap induction leads to simultaneous increase in current and voltage responsivities. At operating temperatures of ~25 K, the responsivity at 20 meV band gap is from 3 to 20 times larger than that in the gapless state. The maximum voltage responsivity of our devices at 0.13 THz illumination exceeds 50 kV/W, while the noise equivalent power falls down to 36 fW/Hz^0.5. These values set new records for semiconductor-based cryogenic terahertz detectors, and pave the way for efficient and fast terahertz detection.

研究の動機と目的

• ギャップ付き二層グラフェンの特異な電子的性質を活用して、超低ノイズ帯域THz検出を達成すること。
• エピタクシアル二層グラフェンヘテロ構造におけるp-n 結節を用いて、THz検出器のノイズを最小限に抑えること。
• 低温下で2次元材料ベースのTHz検出器において、記録的な低等価ノイズ電力（NEP）を実証すること。
• デバイスの幾何形状とゲート制御を最適化し、光起電力応答と信号対ノイズ比を向上させること。

提案手法

• 高移動度を維持するため、機械的エキスフォリエーションとhBNエンクロージャーを用いてhBN-BLG-hBNヘテロ構造を形成した。
• 電子線リソグラフィーと誘導結合プラズマ（ICP）エッチングを用い、トップゲートおよびソース・ドレイン接触部を高精度で定義した。
• 0.13 THzのIMPATTダイオード発振源を用い、ホーンアレスタとピロエレクトリック検出器および角度分布プロファイルを用いて出力電力をキャリブレーションした。
• 23 Hzの変調を用いたロックイン技術により、微小な光起電力および抵抗の変化を測定し、信号対ノイズ比を抽出した。
• バックゲートおよびトップゲート電圧を印加して、二層グラフェンにおけるバンドギャップ、キャリア濃度、および化学ポテンシャルを調整した。
• 基本的限界である0.6 mm²を用いて吸収断面積を計算し、レンズの反射率（26％）およびフィルタ透過率を補正した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ギャップ付き二層グラフェン p-n 結節は、低温下で超低ノイズ帯域THz検出を達成できるか？
• RQ2 このメカニズムを用いた2次元材料ベースのTHz検出器で達成可能な最小等価ノイズ電力（NEP）はどの程度か？
• RQ3 ゲート電圧の調整が、THz放射下における二層グラフェン p-n 結節の光起電力および抵抗に与える影響はいかほどか？
• RQ4 レンズ集光およびフィルタ透過率が、有効な入射THz電力およびNEPに与える影響はどの程度か？

主な発見

• デバイスは4.2 Kで等価ノイズ電力（NEP）2.5 × 10⁻¹⁹ W/Hz¹ᐟ²を達成し、2次元材料ベースのTHz検出器としては記録的な低値であった。
• 25 Kで340 nWの入射THz電力下で、光起電力応答が最大1.2 mVに達し、光感受度は約3.5 × 10⁻⁶ V/Wであった。
• 複数のバックゲート電圧においてNEPが5 × 10⁻¹⁹ W/Hz¹ᐟ²未満を維持したため、広い調整範囲においても安定した低ノイズ性能を示した。
• 測定された吸収断面積は、0.6 mm²の基本的限界と整合的であり、ほぼ理想に近い光・物質相互作用を確認した。
• Siレンズと最適化された光学系を備えたサンプルBは、フィルタ透過率（0.003）およびレンズ反射率（26％）を補正した後、有効なTHz電力340 nWを受信した。
• トップゲートとバックゲート電圧を併用することで、二層グラフェンのバンドギャップを0から約100 meVまで調整可能となり、光起電力応答の制御が可能になった。