[论文解读] Graphene-Silicon Schottky diodes for photodetection

Antonio Di Bartolomeo, Giuseppe Luongo+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 27, 2017

Semiconductor materials and interfaces被引用 4

一句话总结

本研究通过在平坦和纳米尖端图案化的n-Si衬底上使用化学气相沉积（CVD）生长的石墨烯，实现了石墨烯-硅肖特基结中超过2.5 A/W的记录光电响应度。性能提升归因于平坦结中周围区域的电荷收集，或在纳米尖端附近高场区域发生的碰撞电离导致的内部增益。

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.

研究动机与目标

• 开发基于石墨烯-硅肖特基结的高性能光电探测器，用于集成光电子应用。
• 研究对硅衬底进行纳米结构化如何影响石墨烯基肖特基结的光电探测效率。
• 识别这些异质结构中高光电响应度的物理机制。
• 探讨电场增强和载流子收集在提升光电探测性能中的作用。
• 比较在相同光照条件下，平坦与纳米尖端图案化n-Si衬底在石墨烯-Si肖特基结中的光电响应特性。

提出的方法

• 采用化学气相沉积（CVD）在n型硅衬底上生长石墨烯，制备石墨烯-硅肖特基结。
• 利用机械转移技术将CVD生长的石墨烯沉积在平坦和纳米尖端图案化的n-Si表面。
• 在白光照射下进行光电特性表征，测量光电响应度和电流-电压响应。
• 分析纳米尖端边缘的电场增强在促进碰撞电离和内部增益中的作用。
• 研究肖特基结耗尽区及其周围区域的电荷收集机制。
• 通过电学测量和光学响应分析，将结构特征（如纳米尖端）与光电探测性能相关联。

实验结果

研究问题

• RQ1 在白光照射下，石墨烯-硅肖特基结的最大光电响应度可达到多高？
• RQ2 对硅衬底进行纳米结构化如何影响石墨烯-Si异质结的光电探测效率？
• RQ3 主导这些器件高响应度的物理机制是什么——如载流子收集或碰撞电离？
• RQ4 纳米尖端边缘的电场增强是否能导致石墨烯-硅肖特基结中的内部增益？
• RQ5 在相同光照条件下，平坦与纳米尖端图案化石墨烯-Si结的光电响应特性如何比较？

主要发现

• 在纳米尖端图案化n-Si衬底上的石墨烯-硅肖特基结，在白光照射下实现了超过2.5 A/W的记录光电响应度。
• 纳米尖端结构器件的高响应度归因于强电场作用下在尖端处发生的碰撞电离导致的内部增益。
• 在平坦结中，高响应度源于肖特基结周围区域的高效电荷收集。
• 与平坦器件相比，基于纳米尖端的器件表现出显著增强的光电响应，表明存在电场增强的载流子倍增效应。
• 结果证实，对硅衬底进行纳米结构化是提升石墨烯基光电探测器响应度的可行策略。
• 本研究证明，通过定制界面工程和电场增强，石墨烯-Si肖特基结可实现高性能光电探测。