[논문 리뷰] Graphene-Silicon Schottky diodes for photodetection

Antonio Di Bartolomeo, Giuseppe Luongo외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 10. 27.

Semiconductor materials and interfaces인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 평탄한 표면과 나노피크 패tern을 가진 n-Si 기판에 CVD로 성장시킨 그래핀을 사용하여 그래핀-실리콘 슈트키 다이오드에서 2.5 A/W를 초월하는 기록적인 광전도도를 달성하였다. 향상된 성능은 평탄한 접합에서는 주변 영역에서의 전하 수확에 기인하거나, 나노피크 근처의 고전압 영역에서의 충격 이온화를 통한 내부 이득에 기인한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 통합 광전자 응용을 위한 고성능 광검출기를 개발하기 위해 그래핀-실리콘 슈트키 접합을 활용한다.
• 실리콘 기판의 나노구조화가 그래핀 기반 슈트키 다이오드에서 광검출 효율에 미치는 영향을 조사한다.
• 이 이종접합에서 높은 광전도도를 유도하는 물리적 메커니즘을 규명한다.
• 전기장 강화와 캐리어 수확의 역할이 광검출 성능 향상에 기여하는 방식을 탐색한다.
• 동일한 조명 조건에서 평탄한 표면과 나노피크 패턴을 가진 n-Si 기판의 그래핀-Si 슈트키 접합 간의 광전자 응답을 비교한다.

제안 방법

• 화학기상증착(CVD)을 이용해 n형 실리콘 기판에 그래핀을 성장시켜 그래핀-실리콘 슈트키 접합을 제작하였다.
• 기계적 전달 기술을 활용해 CVD로 성장시킨 그래핀을 평탄한 표면과 나노피크 패턴을 가진 n-Si 표면에 도포하였다.
• 백색 빛 조명 하에서 광전자 특성을 측정하기 위해 광전도도와 전압-전류 응답을 측정하였다.
• 나노피크 가장자리에서의 전기장 강화가 충격 이온화와 내부 이득을 촉진하는 메커니즘을 분석하였다.
• 슈트키 접합의 고갈 영역과 주변 영역에서의 전하 수확 메커니즘을 조사하였다.
• 전기적 측정과 광학적 반응 분석을 통해 구조적 특징(예: 나노피크)과 광검출 성능 간의 상관관계를 규명하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 백색 빛 조명 하에서 그래핀-실리콘 슈트키 다이오드에서 달성 가능한 최대 광전도도는 얼마인가?
• RQ2 실리콘 기판의 나노구조화는 그래핀-Si 이종접합의 광검출 효율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 캐리어 수확 또는 충격 이온화와 같은 물리적 메커니즘 중 이 장치에서 높은 응답도를 주도하는 것은 무엇인가?
• RQ4 나노피크 가장자리에서의 전기장 강화가 그래핀-실리콘 슈트키 다이오드에서 내부 이득을 유도할 수 있는가?
• RQ5 동일한 조명 조건에서 평탄한 표면과 나노피크 패턴을 가진 그래핀-Si 접합의 광전자 응답은 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 나노피크 패턴을 가진 n-Si 기판에 부착된 그래핀-실리콘 슈트키 다이오드는 백색 빛 조명 하에서 기록적인 광전도도 2.5 A/W를 초월하였다.
• 나노피크 구조를 가진 장치에서의 높은 광전도도는 피크 부근의 강한 전기장에 의해 유도된 충격 이온화를 통한 내부 이득에 기인한다.
• 평탄한 접합에서는 슈트키 접합 주변 영역에서의 효율적인 전하 수확이 높은 광전도도를 유도한다.
• 나노피크 기반 장치의 광전자 응답은 평탄한 대비 장치에 비해著명한 향상을 보이며, 전기장 강화에 의한 캐리어 다량 생성을 시사한다.
• 결과적으로 실리콘 기판의 나노구조화는 그래핀 기반 광검출기에서 광전도도를 향상시키는 실현 가능한 전략임을 확인하였다.
• 이 연구는 그래핀-Si 슈트키 접합이 첨단 인터페이스 공학과 전기장 강화를 통해 고성능 광검출을 달성할 수 있음을 입증하였다.