[论文解读] Ultralow-noise terahertz detection by p-n junctions in gapped bilayer graphene

Elena Titova, Dmitry Mylnikov+7 more|arXiv (Cornell University)|Dec 10, 2022

Graphene research and applications被引用 4

一句话总结

本研究通过利用可调带隙和高迁移率异质结构，在具有带隙的双层石墨烯 p-n 结中实现了超低噪声太赫兹探测。该器件在 4.2 K 下实现了 2.5 × 10⁻¹⁹ W/Hz¹ᐟ² 的记录最低等效噪声功率，通过零偏置下的光生电压实现了高灵敏度太赫兹探测。

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.

研究动机与目标

• 通过利用具有带隙的双层石墨烯的独特电子特性，实现超低噪声太赫兹探测。
• 通过在封装双层石墨烯异质结构中使用 p-n 结，最小化太赫兹探测器的噪声。
• 在低温条件下，展示基于二维材料的太赫兹探测器中达到记录最低等效噪声功率（NEP）。
• 通过优化器件几何结构和栅压控制，提升光生电压响应和信噪比。

提出的方法

• 采用机械剥离和 hBN 封装技术制备 hBN-BLG-hBN 异质结构，以保持高载流子迁移率。
• 采用电子束光刻和感应耦合等离子体（ICP）刻蚀技术，精确对齐定义顶栅和源漏电极。
• 使用 0.13 THz 的 IMPATT 二极管源，结合喇叭天线，并通过热释电探测器和角度束轮廓分析进行功率校准。
• 在 23 Hz 调制下，采用锁相技术测量微分光生电压和电阻，以提取信噪比。
• 施加背栅和顶栅电压，调节双层石墨烯中的带隙、载流子浓度和化学势。
• 利用基本极限 0.6 mm² 和校正透镜反射率（26%）及滤光片透光率，计算吸收截面。

实验结果

研究问题

• RQ1 在低温条件下，具有带隙的双层石墨烯 p-n 结能否实现超低噪声太赫兹探测？
• RQ2 基于此机制的二维材料太赫兹探测器中，可实现的最低等效噪声功率（NEP）是多少？
• RQ3 栅压调制如何影响双层石墨烯 p-n 结在太赫兹辐照下的光生电压和电阻？
• RQ4 透镜聚焦和滤光片透光率在多大程度上影响有效入射太赫兹功率和 NEP？

主要发现

• 该器件在 4.2 K 下实现了 2.5 × 10⁻¹⁹ W/Hz¹ᐟ² 的等效噪声功率（NEP），为基于二维材料的太赫兹探测器中记录最低值。
• 在 25 K 下，当入射太赫兹功率为 340 nW 时，光生电压响应最高达 1.2 mV，光致响应度约为 ~3.5 × 10⁻⁶ V/W。
• 在多个背栅电压下，NEP 值始终低于 5 × 10⁻¹⁹ W/Hz¹ᐟ²，表明在宽调谐范围内具有稳健的低噪声性能。
• 测得的吸收截面与 0.6 mm² 的基本极限一致，证实了近乎理想的光-物质相互作用。
• 样品 B 经过滤光片透光率（0.003）和透镜反射率（26%）校正后，有效接收太赫兹功率为 340 nW。
• 通过顶栅和背栅电压的联合调控，双层石墨烯的带隙可从 0 调节至约 100 meV，实现了对光伏响应的精确控制。