[논문 리뷰] Ultralow-noise terahertz detection by p-n junctions in gapped bilayer graphene

Elena Titova, Dmitry Mylnikov외 7명|arXiv (Cornell University)|2022. 12. 10.

Graphene research and applications인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 가변 밴드 갭과 고이동도 이종구조를 활용하여 간극이 있는 이중층 그래핀 p-n 접합에서 초저잡음 테라헤르츠 검출을 구현한다. 장치는 4.2 K에서 2.5 × 10⁻¹⁹ W/Hz¹ᐟ²의 기록적인 등가 잡음 전력(NEP)을 달성하여, 제로 바이어스 조건에서 광전압 생성을 통한 고감도 테라헤르츠 검출을 가능하게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 가변 밴드 갭과 고이동도 특성을 활용하여 간극이 있는 이중층 그래핀의 고유 전자적 성질을 이용해 초저잡음 테라헤르츠 검출을 달성하고자 한다.
• 봉쇄된 이중층 그래핀 이종구조에서 p-n 접합을 활용하여 테라헤르츠 검출기의 잡음을 최소화하고자 한다.
• 저온 조건에서 2차원 재료 기반 테라헤르츠 검출기에서 기록적인 낮은 등가 잡음 전력(NEP)을 입증하고자 한다.
• 장치 기하학적 구조와 게이트 제어를 최적화하여 광전압 반응과 신호 대 잡음비를 향상시키고자 한다.

제안 방법

• 고이동도를 유지하기 위해 기계적 분리 및 hBN 봉쇄를 활용하여 hBN-BLG-hBN 이종구조를 제작하였다.
• 전자선 리소그래피 및 유도 결합 플라즈마(ICP) 에칭을 사용하여 정밀한 정렬을 확보한 상부 게이트 및 소스-드레인 접점을 정의하였다.
• 0.13 THz IMPATT 다이오드 소스를 사용하고, 후프 안테나를 장착하며, 피이로전기 검출기와 각도 기반 빔 프로파일링을 활용해 전력 캘리브레이션을 수행하였다.
• 23 Hz 조절을 사용한 락인 기술을 통해 차등 광전압과 저항을 측정하여 신호 대 잡음비를 추출하였다.
• 이중층 그래핀의 밴드 갭, 운반자 농도 및 화학 포텐셜을 조절하기 위해 뒷게이트 및 상부 게이트 전압을 적용하였다.
• 기본 한계인 0.6 mm²를 기반으로 흡수 단면적을 계산하였으며, 렌즈 반사율(26%)과 필터 투과율을 보정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 간극이 있는 이중층 그래핀 p-n 접합이 저온 조건에서 초저잡음 테라헤르츠 검출을 달성할 수 있는가?
• RQ2 이 메커니즘을 활용한 2차원 재료 기반 테라헤르츠 검출기에서 도달 가능한 최소 등가 잡음 전력(NEP)은 얼마인가?
• RQ3 게이트 전압 조절이 테라헤르츠 조사 조건에서 이중층 그래핀 p-n 접합의 광전압과 저항에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 렌즈 집중 및 필터 투과율이 효과적인 입사 테라헤르츠 전력과 NEP에 어느 정도의 영향을 미치는가?

주요 결과

• 장치는 4.2 K에서 2.5 × 10⁻¹⁹ W/Hz¹ᐟ²의 등가 잡음 전력(NEP)을 달성하여 2차원 재료 기반 테라헤르츠 검출기 중 기록적인 낮은 수준을 나타낸다.
• 25 K에서 340 nW의 입사 테라헤르츠 전력 조건에서 광전압 반응이 최대 1.2 mV에 도달하였으며, 광응답도 약 ~3.5 × 10⁻⁶ V/W였다.
• 여러 뒷게이트 전압 조건에서 NEP가 5 × 10⁻¹⁹ W/Hz¹ᐟ² 이하로 유지되어 넓은 조절 범위에서 안정적인 초저잡음 성능을 보였다.
• 측정된 흡수 단면적이 기본 한계인 0.6 mm²와 일치하여 근사적으로 이상적인 빛-물질 상호작용을 확인하였다.
• Si 렌즈와 최적화된 광학 시스템을 갖춘 샘플 B는 필터 투과율(0.003)과 렌즈 반사율(26%)을 보정한 후 340 nW의 효과적 테라헤르츠 전력을 수신하였다.
• 상부 및 뒷게이트 전압을 조합하여 이중층 그래핀의 밴드 갭을 0에서 약 100 meV까지 조절함으로써 광발전 반응을 제어할 수 있었다.