[논문 리뷰] Gate Tuning of High-Performance InSe-Based Photodetectors Using Graphene Electrodes

Wengang Luo, Yufei Cao외 7명|arXiv (Cornell University)|2015. 01. 16.

2D Materials and Applications인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 그래핀 전극을 갖춘 인듐硒화물(InSe) 기반의 게이트 조절이 가능한 고성능 광검출기를 제시하며, 기록적인 응답 속도 100 μs와 높은 광응답도 60 A/W를 달성하였다. 그래핀의 일함수를 활용해 전자 주입을 최적화함으로써, 넓은 400–1000 nm 스펙트럼 범위에서 빠르고 조절 가능한 응답이 가능해졌으며, 이는 2차원(2D) 재료 이종구조가 고성능 광전자 소자에 있어 잠재력을 지닌다는 것을 시사한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 기존 금속 접촉에서 느린 캐리어 동역학으로 인해 제한되는 InSe 기반 광검출기의 응답 속도 향상.
• 그래핀을 투명하고 조절 가능한 전극으로 사용하여 InSe 인터페이스의 쇼트키 장벽을 조절해보기.
• 전기적 게이팅을 통해 고속 응답 시간을 유지하면서도 높은 광응답도를 달성하기.
• 2차원 이종구조 기반 광검출기에서 광대역 스펙트럼 응답(400–1000 nm)을 입증하기.
• 향후 고성능 광전자 장치를 위한 2차원 결정/그래핀 이종구조의 실현 가능성을 확립하기.

제안 방법

• 기계적 분리법으로 확보한 InSe 나노시트와의 쇼트키 접촉을 형성하기 위해 그래핀을 투명한 백게이트 전극으로 사용하였다.
• 그래핀과 InSe 간의 일함수 차이를 조절하여 전자 주입 장벽을 감소시키고 캐리어 추출을 향상시켰다.
• 백게이트 전압을 적용하여 그래핀 내의 페르미 수준을 조절함으로써 쇼트키 장벽 높이와 캐리어 동역학을 조절하였다.
• 다양한 게이트 전압 조건에서 시간 해상도 광전류 측정을 통해 응답 속도를 평가하였다.
• 400–1000 nm 범위에서 광응답도 및 스펙트럼 응답을 측정하여 장치 성능을 평가하였다.
• 2차원 재료의 품질을 유지하기 위해 기계적 분리 및 건식 이송 기법을 사용하여 장치 구조를 제작하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기존 금속 접촉에 비해 그래핀 전극이 InSe 기반 광검출기의 응답 시간을 크게 단축시킬 수 있는가?
• RQ2 백게이트 전압를 통해 InSe/그래핀 광검출기의 응답 속도를 얼마나 잘 조절할 수 있는가?
• RQ3 InSe/그래핀 광검출기에서 달성 가능한 광응답도는 얼마이며, 빠른 동작 조건에서도 높은 수준을 유지하는가?
• RQ4 InSe/그래핀 장치의 스펙트럼 응답은 가시광선에서 가까운 적외선 범위에서 어떻게 비교되는가?
• RQ5 InSe와 그래핀의 2차원 이종구조는 동시에 고속과 고응답도를 달성할 수 있는가?

주요 결과

• InSe/그래핀 광검출기의 응답 속도는 120 μs로 단축되어 InSe/금속 장치 대비 약 40배 향상되었다.
• 백게이트 전압를 적용함으로써 응답 시간을 추가로 100 μs로 조절할 수 있었으며, 이는 캐리어 동역학의 전기적 제어를 입증하였다.
• 장치는 60 A/W에 이르는 높은 광응답도를 달성하였으며, 이는 현재까지 보고된 바 중에서 InSe 기반 광검출기 중 가장 높은 편에 속한다.
• 광검출기는 가시광선에서 가까운 적외선 스펙트럼을 커버하는 넓은 스펙트럼 응답 범위(400–1000 nm)를 나타내었다.
• 그래핀 전극의 사용은 효율적인 캐리어 추출과 재결합 감소를 가능하게 하여 응답 속도와 응답도 향상에 기여하였다.
• 결과적으로 2차원 결정/그래핀 이종구조의 설계가 향후 고성능 조절 가능한 광전자 장치의 유망한 플랫폼임을 입증하였다.