Hohe Empfindlichkeit und geringer Stromverbrauch in Graphen-basierten Photodetektoren
Forscher von AMO GmbH, ICFO- Institut de Ciencies Fotoniques, RWTH Aachen und Bergishe Universität Wuppertal haben einen neuartigen Ansatz für Graphen-basierte Photodetektoren entwickelt, der es erlaubt, hohe Empfindlichkeit und niedrigen Stromverbrauch zu kombinieren und damit eine der größten Einschränkungen moderner Graphen-basierter Photodetektoren zu umgehen – nämlich den hohen Stromverbrauch, der durch ihre großen Dunkelströme verursacht wird.
Seitenansichtsskizze des neuartigen graphenbasierten Photodetektors mit Angabe der Geometrie des Einschichtgraphens (SLG), der Metallelektroden und der Schicht aus kolloidalen Quantenpunkten (CQDs).
Die Strategie besteht darin, eine durch kolloidale Quantenpunkte (CQD) gebildete Absorptionsschicht zur Photosensibilisierung von Metall-Isolator-Graphen (MIG)-Dioden zu verwenden. Wenn Licht auf das MIG/QD-Bauelement trifft, wird ein Teil des Lichts absorbiert und erzeugt Elektron-Loch-Paare in der CQD-Schicht. Ein Fraktion dieser fotogenerierten Ladungen wird dann auf die darunter liegende Graphenschicht übertragen und bewirkt eine Verschiebung des chemischen Potentials des Graphens. Dank der geringen Zustandsdichte des Graphens in der Nähe des Neutralitätspunkts kann diese Verschiebung relativ groß sein und eine dramatische Änderung der durch die Diode fließenden Strommenge verursachen, da diese exponentiell von der Höhe der Diodenbarriere abhängt.
Dieses neue Photodetektionsschema erlaubt Dunkelströme von Hunderten von nA bis zu wenigen μA – um Größenordnungen niedriger als andere graphenbasierte Photodetektoren – während die Empfindlichkeiten im Vergleich zu Germanium auf Silizium- und Indiumgalliumarsenid-Infrarot-Photodetektoren um fast zwei Größenordnungen höher bleiben (etwa 70A/W im Infrarot). Diese Kombination von Eigenschaften macht den Ansatz sehr attraktiv für Anwendungen, bei denen eine hohe Empfindlichkeit und ein geringer Stromverbrauch erforderlich sind.
Die Arbeit wurde auf ACS Nano.
Bibliographische Angaben:
Graphene–Quantum Dot Hybrid Photodetectors with Low Dark-Current Readout
D. De Fazio, B. Uzlu, I. Torre, C. Monasterio, S. Gupta, T. Khodkov, Y. Bi, Z. Wang, M. Otto, M. C. Lemme, S. Goossens, D. Neumaier, and F. H. L. Koppens
ACS Nano 2020
DOI: https://doi.org/10.1021/acsnano.0c04848
ArXiv: https://arxiv.org/abs/2005.10658
