[논문 리뷰] Gate-tunable and high responsivity graphene phototransistors on undoped semiconductor substrates

Biddut K. Sarker, Isaac Childres외 3명|arXiv (Cornell University)|2014. 09. 19.

Graphene research and applications참고 문헌 3인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 덴드되지 않은 4H-SiC 기반에서 제작된 게이트 조절이 가능하고 고민감도를 가진 그래핀 광트랜지스터를 제시한다. 이는 기반에서 광자극된 실리콘의 전하 운반자에 의해 유도된 전기장에 기반한 전기장 유도 광응답을 활용한다. 백게이트 및 소스-드레인 전압 조절을 통해 실온에서 약 7.4 A/W의 고민감도를 달성하였으며, 이는 실용적 요구사항을 초월한다. 이로 인해 도핑된 기반을 사용하지 않고도 조절 가능하고 고성능의 광검출이 가능하다.

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.

연구 동기 및 목표

• 도핑된 기반에 의존하지 않고 고성능 그래핀 광검출기를 개발함으로써, 불필요한 도핑과 실리콘 운반자 산란을 방지하고자 한다.
• 도핑되지 않은 반도체 기반에서 광자극된 운반자에 의한 전기장 조절을 활용하여 그래핀 내에서 게이트 조절 가능한 광검출을 구현하고자 한다.
• 간단하고 확장 가능한 구조를 사용하여 실온 조건에서 고민감도 그래핀 광트랜지스터를 달성하고자 한다.
• 유한요소모델링 및 시뮬레이션을 통해 전기장 유도 광응답 메커니즘을 검증하고자 한다.

제안 방법

• 도핑되지 않은 4H-SiC 기반에서 그래핀 필드효과 트랜지스터를 제작하여 기반의 도핑 효과를 제거한다.
• 기반의 본질적인 반도체 성질을 활용해 백게이트를 통해 그래핀의 전도도를 조절하고 광응답을 제어한다.
• 유한요소법(FEM) 시뮬레이션을 사용하여 전기장 분포를 모델링하고 전기장 유도 광응답 메커니즘을 검증한다.
• 소스-드레인 전압과 백게이트 전압를 다양하게 조절하면서 빛의 세기 의존 광전류 및 민감도를 측정하여 조절 가능성을 입증한다.
• 그래핀의 광역 흡수 및 높은 운반자 이동도를 활용하여 광응답 효율을 향상시킨다.
• 실온에서 장치 성능을 특성화하여 실용적 적용 가능성을 입증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 도핑된 Si/SiO2 기반 대신 도핑되지 않은 반도체 기반을 사용하여 고민감도 광검출을 그래핀 광트랜지스터에서 달성할 수 있는가?
• RQ2 기반 내 광자극된 운반자에 의해 생성된 전기장이 그래핀에서 측정 가능한 광전류를 유도하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 소스-드레인 전압과 게이트 전압 조절을 통해 광전류 및 민감도를 얼마나 넓게 조절할 수 있는가?
• RQ4 유한요소 모델이 제안된 전기장 유도 광응답 메커니즘을 어떻게 뒷받침하는가?
• RQ5 이 구조는 대부분의 실용적 광검출 응용에 필요한 기준인 1 A/W를 초월하는 민감도를 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 그래핀 광트랜지스터는 실온에서 약 7.4 A/W의 광민감도를 달성하였으며, 대부분의 실용적 응용에 요구되는 1 A/W 기준을 크게 초월하였다.
• 소스-드레인 전압과 백게이트 전압를 별도로 제어함으로써 광전류 및 민감도를 넓은 범위로 조절 가능하였다.
• 유한요소 시뮬레이션을 통해 도핑되지 않은 SiC 기반 내 광자극된 운반자에 의해 유도되는 전기장 유도 광응답 메커니즘이 존재하는 것으로 확인되었다.
• 장치는 실온에서 효과적으로 작동하여 실세계 광검출 시스템에 실용적인 가능성을 입증하였다.
• 이 구조는 일반화되고 확장 가능한 구조로, SiC 이외의 다양한 도핑되지 않은 반도체 기반에서도 제작이 가능하다.
• 기반의 도핑이 없어 운반자 산란이 최소화되어 기존의 도핑된 Si 기반 장치에 비해 성능이 향상되었다.