Nb2O5の実験比較 | 寧波グローバルグロース株式会社

Scientific Reports volume 13、記事番号: 7104 (2023) この記事を引用

747 アクセス

1 引用

1 オルトメトリック

メトリクスの詳細

本研究では、五酸化ニオブ（Nb2O5）吸収層を備えた光導電性光検出器にグラフェンを添加し、光ゲート効果を利用することにより、光検出器の応答性が大幅に改善されました。この光検出器では、Nb2O5 層が光を検出し、グラフェンがフォトゲート効果に基づいて応答性を向上させます。 Nb2O5 光ゲート光検出器の光電流および暗電流に対する光電流の割合を、対応する光導電性光検出器の光電流と比較します。また、Nb2O5 光導電性および光ゲート光検出器は、異なる印加 (ドレイン-ソース) 電圧およびゲート電圧での応答性の観点から、二酸化チタン (TiO2) 光導電性および光ゲート性光検出器と比較されます。結果は、Nb2O5 光検出器が TiO2 光検出器と比較して優れた性能指数 (FOM) を持っていることを示しています。

2 次元マテリアルは光と強く相互作用する可能性があります。これらの二次元材料の 1 つであるグラフェンは、二次元ハニカムパターンの結晶ネットワーク内に密に配置された炭素原子の単層です1。最初の合成単層グラフェンは、2004 年にゲームとノボセロフによって作成され、特性評価されました。この発明により、ゲームとノボセロフは 2010 年にノーベル物理学賞を受賞しました2。2013 年には、グラフェンの二次元原子シートとナノスケールの新しい分類が発表されました。エレクトロニクスに使用できる材料が提案されました3。グラフェンの優れた特性には、高い電荷移動度、優れた熱伝導率、および高い強度が含まれます1、4、5、6、7。グラフェンの用途の 1 つは光検出器です。単層グラフェンは、300 ～ 2500 nm の照射光の 2.3% しか吸収できないため、応答性が低くなります8。グラフェン光検出器の応答性は、マイクロキャビティ構造9、量子ドット10、グラフェンナノディスクアレイ11、グラフェン導波路3、12、13、ヘテロ構造、および異なる材料を組み込んだグラフェン14、15の使用を含む、さまざまな方法で改善できます。フォトゲート効果を備えたグラフェン光検出器では高い応答性が報告されています16、17、18。 2010年にはグラフェン検出器が作られた。グラフェン検出器の感度は、波長 1.55 μm で 6.1 mA/W でした19。 2012 年に、キャビティを備えたグラフェン検出器が発表されました。検出器の感度は 850 nm9 の波長で 21 mA/W でした。 2015 年に、光導波路を備えたグラフェンと硝酸ホウ素の検出器が発表されました。この検出器の応答性は 0.36 A/W20 でした。グラフェンと光吸収プロセスについては、光起電力効果（異なる不純物を含む領域の接合部における電場下での電子と正孔の分離に基づいて光電流を生成）、光ゲート効果（グラフェンの密度を変化させる光吸収）など、さまざまな研究が行われています。キャリア、ひいてはトランジスタ構造内のコンポーネントの導電率の変化につながります）、ボロメトリック効果（光放射と温度上昇の結果としての導電率の変化）、および熱電効果（ゼーベック効果による電圧の生成）キャリアの温度上昇による）21．光ゲート効果の応答性は他の効果よりもはるかに高いため、本研究ではこの効果に焦点を当てます。光ゲート効果では、キャリアの 1 つが吸収層にトラップされます。言い換えれば、追加のキャリアの寿命は、キャリアが欠陥や不純物によって互いに分離されるにつれて増加します。生成されたキャリアの 1 種類がトラップされると、ゲート電圧などの追加の電場が生成され、チャネルコンダクタンスが変調される可能性があります 22、23、24、25、26。このような小さな寸法の検出器は、追加のキャリアの寿命が延長されるため、高い応答性と限られた応答速度を示します27。 2012年に量子ドットを備えたグラフェン構造が提案された。この構造では、波長 532 nm で 107 A/W の応答性が得られました10。 2016 年には、グラフェン/SiO2/低濃度ドープ Si 構造が高感度と応答性を実現するために使用されました。動作範囲は可視から近赤外領域であり、応答性は波長514nmで1000A/Wでした。この光検出器では、SiO2 と低濃度ドープ Si 間の欠陥により、電子がトラップ内に蓄積して負のゲート電圧を生成し、より多くの正孔が誘導され、高い利得が増加します 25。 2018年には、直接バンドギャップが0.3eVの黒リン（BP）が光吸収材料として使用されました。 655 nm、785 nm、980 nm の波長では、それぞれ 55.75 A/W、1.82 A/W、0.66 A/W の応答性が得られました。励起された電子はトラップ準位にトラップされ、正孔はグラフェンとBPの間の内部ポテンシャルによってグラフェン層を通過します。トラップがあるとキャリアの寿命が長くなります。グラフェンは移動度が高いため、正孔は電子と再結合する前に回路内を流れることができます。導入された構造は、光ゲート効果に基づいて可視から近赤外領域で機能します22。 2018 年には、バンドギャップ 0.09 eV の Ti2O3 ナノ粒子を使用して、中赤外スペクトルの検出器が製造されました。仕組みは以前と同じです。この検出器は、10 μm の波長に対して 300 A/W の感度を持っていました28。 2018 年には、SiO2/n ドープ Si 基板を使用して、グラフェン光検出器のフォトゲート効果が調査されました。 450 nm と 1064 nm の波長では、応答性はそれぞれ 500 A/W と 4 A/W でした。 Si/SiO2 界面でのバンドの曲がりにより、電子と正孔のペアが分離されます。電場下では、電子は Si に向かって移動し、正孔は Si/SiO2 界面で捕捉されます。 Si/Si2 界面での正孔の蓄積は正のゲートのように作用し、グラフェンのフェルミ準位を増加させます。これにより、グラフェンが n 型になります 24。 2018年には、インジウムアンチモン（InSb）基板を使ってグラフェントランジスタが製造された。波長 4.6 μm でのフォトゲート効果による 33.8 A/W の応答性が達成されました 29。近年、UVA 領域に TiO2 および Nb2O5 吸収層を備えたさまざまな光検出器が発表されています 30。 2011 年に Nb2O5 ナノベルトが提案され、1 V で 15.2 A/W の応答性が得られました 31。 2015 年に、1 V32 で 24.7 A/W の応答性を備えた Nb2O5 ナノプレート光検出器が製造されました。 2021 年に MAPbI3 ナノワイヤ光検出器が製造され、1 V で 20.56 A/W の応答性が報告されました 33。 2023 年に、TiO2 NT/Cs3Cu2I5 ナノ粒子ハイブリッドファイバーのタイプ II ヘテロ接合が、-1 V34 で 26.9 mA/W の応答性を示すことが示されました。光ゲート効果は、量子ドット 10、バルク 23、24、25、薄膜構造 8 という 3 つの異なる構造で調査できます。量子ドットを二次元材料に統合すると、いくつかの利点が得られます。第一の利点として、より厚い量子ドットにより、二次元材料の低い光吸収の問題が解決されます。 2 番目の利点は、2 次元材料のキャリア移動度が高いことです。3 番目の利点は、一部の 2 次元材料は広い吸収スペクトルを持たないが、量子ドットがこの限られた応答性を補償することです。グラフェンなどの二次元材料の場合、1 つの光子から複数のキャリアを生成するメカニズムはありません。量子ドットを利用することで回路内に大量の正孔を流すことができ、結果として利得が増加します。これは、トラップされた電子の寿命が長く、グラフェン内のキャリアの移動度が高いためです。量子ドットの欠点の 1 つは、その毒性です。さらに、量子ドットの寸法によって、使用される材料の帯域幅が変化します。バルク検出器では、SiO2 と低濃度ドープ Si 間の欠陥により、電子がトラップ内に蓄積して負のゲート電圧を生成し、より多くの正孔が誘導されてゲインが増加します。言い換えれば、Si/SiO2 界面でのバンドの曲がりにより、電子と正孔のペアが分離されます。内部電界の下では、電子は Si 基板に向かって移動し、正孔は Si/SiO2 界面でトラップされ、Si/SiO2 界面での正孔の蓄積は正のゲートのように機能し、グラフェンのフェルミ準位を増加させます。その結果、グラフェンはn型グラフェンに変換されます。高濃度にドープされたシリコン基板は、寿命がはるかに短い追加のキャリアを含むため、使用されません。バルク構造の応用は、高エネルギー材料と X 線に限定されます 23、24、25。

本研究では、光ゲート機構に基づいて、Nb2O5 (3.7 eV) および TiO2 (3.2 eV) の吸収体薄膜が使用されます。光検出器は室温で動作するため、広帯域材料の使用は光検出器にとって利点となります。グラフェンを光伝導検出器に転写することで、応答性が約20倍向上します。 Nb2O5 吸収層の使用は新しい技術です。この技術の利点は、低コストであることと、特別な技術を必要とせず、いくつかの溶液を組み合わせるだけで Nb2O5 が得られる簡単さです。本研究では、Nb2O5 吸収層を備えた光伝導検出器と、同じ Nb2O5 吸収層を備えたグラフェン光ゲート光検出器を、応答性と暗電流に対する光電流の割合の観点から比較しました。 Nb2O5 吸収層を備えた光ゲート検出器と光伝導検出器の応答性は、それぞれ 12.69 A/W と 0.65 A/W です。 Nb2O5 吸収層を備えた光ゲート検出器と光伝導検出器の暗電流に対する光電流の割合は、ドレイン・ソース間電圧 1.5 V およびゲート電圧 1 V でそれぞれ 2.84% と 0.16% です。同じ実験室条件下で製造された光伝導検出器と光ゲート検出器は、それぞれ 0.45 A/W と 8.32 A/W です。 TiO2 光伝導検出器と光ゲート検出器の暗電流に対する光電流の割合は、それぞれ 0.16% と 2.84% です。 Nb2O5 吸収層を備えたフォトゲート検出器の応答性は、TiO2 フォトゲート検出器の応答性よりも約 2 倍高くなります。

Nb2O5 吸収層を備えた光伝導光検出器と光ゲート光検出器の製造手順をそれぞれ図 1a ～ g に示します。図1aは、(100)方向に沿った厚さ430μmのp型シリコンウェハを示しています。シリコン表面はＲＣＡ法により洗浄した。図1bに示すように、熱酸化を使用してシリコン上に厚さ300 nmの酸化層を形成しました。ドーピング量は 11 ～ 13 Ω/cm、酸化物サンプルの漏れ電流密度は 0.205 A/m2 でした。図1cに示すように、電子ビーム物理蒸着によって30 nmのNbがSiO2層上に蒸着されました。次に、図1dに示すように、陽極プロセスを使用してSiO2上に81nmのNb2O5吸収層を形成しました。Ｎｂの陽極酸化には、１２００ｍｌのエチレングリコールＣ２Ｈ６Ｏ２、８００ｍｌのＨ２Ｏ、および１６０ｇの（ＮＨ４）Ｂ５Ｏ６からなる電解液を使用した。 Nb層を正極に、陽極酸化液中の白金電極を負極に接続し、陽極酸化処理を行った。図1e、fに示すように、リソグラフィプロセスを使用して構造上に櫛型電極がパターン化されました。この目的のために、ガラスマスクが使用されました。各金属電極の幅は１０μｍ、トランジスタの幅（ｗ）は５０００μｍであった。２つの金属電極間の距離（長さ）は１２．５μｍ、距離の数（ｎ）は２４９であった。 (1) の場合、トランジスタの全幅は 1245 mm です。

ここで、WTotal はトランジスタの合計幅、n は距離の数、w はトランジスタの幅です。

（a〜f）Nb2O5吸収層を使用した光導電性光検出器の製造ステップ、および（a〜g）Nb2O5吸収層とグラフェンを使用した光ゲート光検出器の製造ステップ。

光ゲート型光検出器を製造するためのすべてのステップは、光導電性光検出器で実行されるものと同じです。図1gに示すように、最後にのみグラフェンが最終的な光伝導構造に転写されます。この構造では、Graphene Company の製品で化学気相成長 (CVD) 法を使用して成長させたグラフェンが使用されました 35,36。

図 2 は、グラフェンと Nb2O5 ヘテロ構造のエネルギーバンドを示しています。グラフェン単層を Nb2O5 層上に配置すると、2 つの材料のフェルミ準位の違いにより、2 つの材料間に内蔵ポテンシャル障壁が作成されます。次に、Nb2O5 層のバンドギャップの範囲で光を照射すると、Nb2O5 層内で電子 - 正孔対が生成されます。グラフェンと Nb2O5 層の間にあるポテンシャル障壁により、電子はグラフェン層に向かって移動しますが、正孔は Nb2O5 層内にトラップされます。正孔のトラップにより、グラフェンのフェルミエネルギー準位とグラフェンチャネルの抵抗が変化し、大きな光電流が発生します22、23、24、25、26。

(a) グラフェンと Nb2O5 のエネルギー準位、(b) グラフェンと Nb2O5 が結合したときのエネルギー準位、(c) UV 光照射と Nb2O5 層内での電子正孔対の生成、(d)グラフェン/Nb2O5 界面に組み込まれたポテンシャル障壁の背後にある穴とグラフェンのフェルミエネルギーレベルの変化 37。

グラフェンは、銅層のエッチング、基板の準備、グラフェンの転写を含む 7 段階の湿式転写法によって転写されました。このプロセスは、CVD プロセス中に銅層の下に配置された不要なグラフェンを除去することから始まります。このプロセスは 20% 硝酸溶液中で行われ、基板はその中に約 5 分間保持されました。次に、0.2 M 塩化鉄 (III) を使用して銅をほぼ 2 時間エッチングしました。 RCA によって金属残留物を除去した後、基板はグラフェン転写の準備が整いましたが、その前に基板を準備する必要があります。次に、基板を 70 \(^\circ{\rm C}\) のピラニア溶液に約 15 分間浸漬しました。次に、用意した基板にグラフェンを転写した。次の 2 つの段階を実行して、グラフェン/基板界面の接着力を高め、ポリ(メタクリル酸メチル) (PMMA) を除去しました。基板は、ヒーターを使用して 80 \(^\circ{\rm C}\) の温度まで約 5 分間適度に加熱された後、130 \(^\circ{\rm C}\) の高温にさらされました。約20分間次に、基板を室温で数分間冷却させました。このプロセスは、70 \(^\circ{\rm C}\) の温度で N-メチル-2-ピロリドン (NMP) 溶液を介して約 15 分間 PMMA を除去することで終了しました。

図 3 は、SiO2 層および Nb2O5 層に転写されたグラフェンの走査型電子顕微鏡 (SEM、Tescan VEGA3) 画像を示しています。図3aは、PMMA残留物を除去するために550℃、4.4\(\times\) 10-6 Torrの真空で1時間アニールした単層グラフェンの粒子を示しています。平均グラフェンシート抵抗は、van der Pauw法により求めた。 HP4450 半導体測定装置を電圧 1 V、電流 1 μ\(\mathrm{A}\) で使用しました。グラフェン層のシート抵抗は約 1600 \(\pm 10\%\) オーム/平方でした。インターディジット電極設計の例を図 3b に示します。グラフェンおよびニッケル電極の接触抵抗は、伝送線路法 (TLM) を使用して測定すると、約 640 Ω μm ± 15% でした。幸いなことに、接触抵抗は十分に良好であったため、光検出器の製造プロセスに影響を与えることはなかったが、接触抵抗は低いほど良い。

(a) 単層グラフェンの粒子、(b) Nb2O5 吸収体層上の櫛型電極設計のサンプル。

光ゲート効果では、生成されたキャリアの 1 種がトラップされると、ゲート電圧の形で追加の電場が生成され、チャネルコンダクタンスが変調されます。小さな寸法の光検出器は高い応答性を示します。光起電力効果では、生成された電子と正孔のペアがピコ秒で再結合します。ただし、光ゲート効果におけるキャリア寿命は光起電力効果よりも長く、約 20 ミリ秒と比較して 1 秒です27。ゲインは式を使用して取得できます。 (2)。この式から結論付けられるように、トラップ時間の増加とキャリアがグラフェンチャネルを通過する時間間隔 (通過時間) の減少に伴って、応答性と光電流が増加します。グラフェンチャネルが短くなると、光電流と応答性が増加しますが、光検出器の有効面積は減少します38。

自由電荷キャリアがドレインからソースに移動する時間は「τtr」で示され、これらの自由電荷キャリアがナノ粒子の近くに捕捉される時間間隔は「τlife」で示される。

余分な電子の寿命が走行時間より長い場合 (τlife > τtr)、余分な電子はアノードに到達し、別の電子はすぐに光伝導体に入り、電荷の中性を維持し、アノード端子にドリフトします。このプロセスは、余分な電子が正孔と再結合するまで繰り返されます。このプロセスには平均で τlife がかかり、利得は 1 よりも大きくなります。ただし、τlife < τtr の場合、トランジットが完了する前に余分な電子が正孔と再結合します。複数の電子正孔対を生成せずに 1 を超えるゲインを達成するには、外部回路によるより高い電力が必要です。式 (3) は光検出器 39 の光電流を計算します。

ここで、\({C}_{ox}\) は単位面積あたりの誘電体キャパシタ、W と L はそれぞれグラフェンチャネルの幅と長さです。

式から (4) より、正味の光電流は SiO2 膜の厚さに依存しませんが、次のようにキャリアの走行時間と光誘起電荷の量に依存します。

ここで、ΔQ は光誘起電荷の量、τtr はグラフェンチャネル内のキャリアの走行時間です。

式に示すように (5) に示すように、このタイプの検出器で生成される電流量は、以下に示すように α と d に依存します40。

ここで、\(\alpha\) は吸収係数、d は吸収層の厚さです。

電流を増やすには、式(1)によると、吸収係数の高い材料が使用されます。 (6) d が増加すると、Cox は減少します。さらに、式によると、 (7) と (8) より、Cox の減少により gm が減少し、その結果、光電流が減少します。したがって、吸収層の厚さ d には、本研究では 81 nm (Nb2O5) に等しい最適な制限があるはずです。 Nb の酸化物から金属への変換係数は 2.7 で、1 nm の Nb に対して 2.7 nm の Nb2O5 が形成されることを意味します。

ここで、 \(\varepsilon\) は誘電率、 \({\varepsilon }_{0}\) は真空の誘電率です。

ここで、 \({g}_{m}\) は次のように与えられる相互コンダクタンスです。

ここで、VGS は制御電圧です。

光検出器の性能指数 (FOM) の一部は光学的に評価されます。光学特性は、一部の特殊な場合を除き、出力 1 μW、波長 325 nm、チョッパー周波数 3 kHz のヘリウム・カドミウムレーザーを使用して得られました。図 4 に示すように、光学的特性評価では、レーザー光がミラーに当たり、反射光がチョッパーに到達し、次に光検出器に到達します。検出器の出力はロックインアンプの入力に接続されます。

光学特性評価のセットアップ。このセットアップには、レーザー、ビームスプリッター、ロックインアンプ (Bentham)、および光チョッパーが含まれています。

この光学セットアップを使用すると、2 つの利点があります。 1 つ目の利点は、周囲のノイズが除去されることです。2 つ目の利点は、この設定では最小限の光電流でも観測できることです。 Nb2O5 および TiO2 吸収体層を備えた光導電性および光ゲート光検出器を光学的に検査しました。

表１に示すように、Ｎｂ層は電子ビーム装置によってシリコン基板上に堆積され、酸化物対金属変換係数２．７で陽極酸化することによってＮｂ２Ｏ５層が得られた。 Ti 層はスパッタリングによってシリコン基板上に堆積され、TiO2 は酸化物から金属への変換係数 1.7 の酸化法によって得られました。

図 5a は Nb2O5 光伝導検出器のプロファイルを示し、図 5b は Nb2O5 光ゲート検出器のプロファイルを示します。図5に示すように、ドレイン・ソース間電圧(VDS)はグラフェン層の両端に印加され、制御電圧(VGS)はオーミックコンタクトを介してシリコン基板に印加されます。

(a) Nb2O5 光導電型光検出器のプロファイル、(b) Nb2O5 光ゲート型光検出器のプロファイルと VDS と VGS の接続点。

図6aは、Nb2O5吸収層を備えた光導電性光検出器および光ゲート光検出器の光電流（μA）とドレイン・ソース間電圧の関係を示しています。光導電性光検出器の光電流は、0.533 μA から 0.64 μA に増加します。グラフェンを追加すると、0.1 ～ 1.5 V のドレイン-ソース電圧範囲で光電流が 7.87 および 12.69 μA に増加します。VDS の値が増加すると、ポテンシャル障壁が減少するため、電子が Nb2O5 からグラフェンに移動しやすくなります。その結果、Iphの増加がより大きくなります。言い換えれば、式によれば、 (6) VDS、gm の増加に伴い、Iph が増加します。図6bは、Nb2O5吸収層を備えた光導電性光検出器および光ゲート光検出器の暗電流に対する光電流の割合を示しています。ドレイン・ソース間電圧が増加すると、暗電流に対する光電流の比率が減少し、応答性が最も高いドレイン・ソース間電圧、つまり 1.5 V で最低値が観察されます。電圧の増加とともに応答性がわずかに変化するだけでなく、しかし、VDS がさらに増加すると、光検出器に多くの電流が流れるようになり、デバイスが発熱します。これはデバイスのパフォーマンスに悪影響を及ぼします。図6aに示すように、Iphの値はVDSと直接の関係がありますが、IdarkはVDSだけでなくキャリア寿命などの他の要因にも依存します。したがって、Iph/Idark 曲線の傾向は、Iph と Idark の傾きの差から生じます。光導電検出器と光ゲート検出器では、暗電流に対する光電流の割合は、波長 325 nm、VDS 1.5 V、電力 1 μW で、それぞれ 0.16% と 2.84% です。

(a) Nb2O5 吸収層を備えた光伝導検出器および光ゲート検出器の光電流 (マイクロアンペア) 対ドレイン・ソース電圧の変化、および (b) Nb2O5 吸収層を備えた光伝導検出器および光ゲート検出器の暗電流に対する光電流の割合の変化とドレインP = 1 μW および VGS = 1 V の電源電圧。

異なるドレイン-ソース電圧における光伝導検出器と光ゲート検出器の暗電流を比較するための簡単な基準が定義されています。図7では、各検出器の暗電流の比率を比較しています。この図は、ドレイン・ソース電圧に対する、Nb2O5 を使用した光導電性光検出器の TiO2 を使用した場合の暗電流の比、および Nb2O5 を使用した光ゲート型光検出器の TiO2 を使用した場合の暗電流の比を示しています。一般に、TiO2 吸収層の暗電流に対する Nb2O5 吸収層の暗電流の比は、光導電検出器よりも光ゲート検出器の方が高くなります。 Nb2O5 層を備えた光ゲートおよび光伝導検出器の暗電流は、TiO2 吸収層を備えた光ゲートおよび光伝導検出器の暗電流よりも優れています。

P = 1 μW、VGS = 1 V の場合の、Nb2O5 を使用した光導電性光検出器の暗電流と TiO2 を使用した場合の暗電流の比、および Nb2O5 を使用した光導電性光検出器の TiO2 を使用した場合の暗電流の比とドレイン-ソース電圧対。

図 8 は、0.1 ～ 1.5 V の VDS 範囲における、Nb2O5 および TiO2 吸収層を備えた 4 つの光導電性光検出器と光ゲート光検出器の応答性を示しています。Nb2O5 吸収体層を備えた光ゲート光検出器は、すべての VDS 電圧で最も高い応答性を示します。さらに、2 つの光ゲート光検出器とは異なり、光伝導検出器の応答性は VDS が増加しても大きく変化しません。ただし、2 つの検出器 (つまり、Nb2O5/Gr 層と TiO2/Gr 層を備えた検出器) のフォトゲート効果により、キャリアのトラップ時間が増加し、応答性と光電流が増加します。応答性はグラフェン層の初期エネルギーレベルにも依存します。ドレイン・ソース間電圧が 1.5 V の場合、Nb2O5/Gr 光検出器の TiO2/Gr 光検出器の応答性の比は約 2、Nb2O5 光検出器の TiO2 光検出器の応答性の比は約 2 です。 1.5. これは、両方の層が同じ実験室条件下で作成されたにもかかわらず、TiO2 吸収層と比較して Nb2O5 吸収層の性能が優れていることを示しています。

光ゲートおよび光導電性光検出器の応答性 (左軸)。異なるドレイン-ソース電圧における、Nb2O5 光ゲート光検出器の応答性と TiO2 光ゲート光検出器の応答性の比、および Nb2O5 光導電性光検出器の応答性と TiO2 光導電性光検出器の応答性の比 (右軸)、P = 1 μW、VGS = 1 V。

表 2 に示すように、光ゲート検出器の応答性は光伝導検出器の応答性よりも優れています。 Nb2O5 吸収層を備えた両方のタイプの検出器の応答性は、TiO2 吸収層を備えた検出器よりも高くなります。 \({I}_{dark}^{{Nb}_{2}{O}_{5}/Gr}/{I}_{dark}^{Ti{O}_{2}/ の値フォトゲーティング検出器の Gr}\) が \({I}_{dark}^{{Nb}_{2}{O}_{5}}/{I}_{dark}^{ の値より大きい) Ti{O}_{2}}\) の光導電検出器。

図 9a は、ゲート電圧に関する応答性を示しています。この図に示すように、光伝導検出器の応答性は、VGS が増加しても大きく変化しません。しかし、フォトゲーティング検出器では、フォトゲーティング効果によりキャリアトラップ時間が増加するため、応答性と光電流が増加します。応答性はグラフェン層の初期エネルギーレベルにも依存します。したがって、VGS の増加に伴う光検出器の応答性の増加は、グラフェン層が TiO2 吸収体層に転写されたためであることが証明されています。

(a) P = 1 μW、VDS = 0.5 V での光導電検出器と光ゲート検出器の応答性とゲート電圧、(b) 青の曲線 (ディラック点)、赤の曲線 (応答性)、緑の曲線 (gm = ∂Id/) ∂Vg）。

図9aに示すように、ゲート電圧が増加すると、フォトゲート検出器の応答性が増加します。 Nb2O5 および TiO2 光ゲート検出器のディラック点は、それぞれ 20 V と 15 V にあります。ディラック点では、フォトゲーティング検出器の応答性が最も高いだけでなく、ディラック点付近の曲線の傾きも最も高くなります。フォトゲート検出器の曲線に示されているように、ゲート電圧がさらに増加すると下降傾向があり、応答性が低下します。この理由を図 9b に示します。この図では、青い曲線はグラフェン材料のゲート電圧に関する光電流を示しています。青い曲線の最小点はディラック点です。ディラック電圧は、電子と正孔の数が同じ場合に対応します。青い曲線から明らかなように、ディラック点から遠く離れたゲート電圧では、光電流はゲート電圧に依存しないため、ゲート電圧の増減は光電流の値に影響を与えません。示されているように、曲線の最も急な勾配はディラック点付近のどこかにあります。式から (8) と緑の曲線では、この傾きは gm = ∂Id/∂Vg にあり、赤で示される応答性曲線の最大値は最も傾きが高い点に位置します。

図10に示すように、Nb2O5吸収体層を備えた光導電性および光ゲート光検出器の帯域幅はFOMとして計算されました。周波数が増加しても、周波数応答基準は実質的に減少しません。これらの結果は、両方の光検出器が、最大 5 kHz の周波数要件を持つ UV イメージングや多くの最新システムなどのアプリケーションで使用できることを示しています。

P = 1 μW、VDS = 0.5 V、および VGS = 1 V での Nb2O5 吸収層を備えた光伝導検出器および光ゲート検出器の周波数応答基準。

表 3 は、Nb2O5/TiO2 吸収層を備えた光導電性/光ゲート検出器 (この研究で提示) と、他の論文で提示された同じ吸収層材料を備えた以前の検出器を比較しています。この表によると、Nb2O5 吸収層を備えた検出器は、TiO2 吸収層を備えた検出器よりも優れた応答性を持っています。 Nb2O5 ナノベルトおよび Nb2O5 ナノプレート検出器は、薄膜 Nb2O5 光伝導検出器および光ゲート検出器よりも優れた応答性を備えています。 Nb2O5 ナノプレート検出器は Nb2O5 ナノベルトより優れた応答性を持っていますが、薄膜 Nb2O5 検出器の製造は Nb2O5 ナノプレートやナノベルト検出器よりも簡単です。

Nb2O5 吸収層は、光ゲート効果に基づくグラフェン検出器の製造に使用されました。さらに、陽極酸化プロセスを使用して、Nb の薄層からこの吸収層を製造しました。これらのプロセスは文献では行われておらず、この研究で初めて提示されました。 TiO2 吸収層を備えた光検出器と比較して、Nb2O5 吸収層を備えた光検出器は、コスト、製造プロセスの単純さ、および高い応答性の点で優れた性能を発揮したことは注目に値します。 325 nm レーザー放射、出力 1 μW、ドレイン・ソース間電圧 1.5 V、ゲート電圧 1 V で、TiO2 吸収層を備えた光導電検出器および光ゲート検出器の応答性は 0.45 A/W および 8.32 A でした。 /W、一方、Nb2O5 吸収層を備えた光伝導検出器と光ゲート検出器の応答性は、それぞれ 0.65 A/W と 12.69 A/W でした。さらに、TiO2 吸収層を備えた光伝導検出器と光ゲート検出器の暗電流に対する光電流の割合は、それぞれ 0.003% と 0.111% でした。しかし、TiO2 吸収層を備えた光伝導検出器と光ゲート検出器の暗電流に対する光電流の割合は、それぞれ 0.16% と 2.84% でした。したがって、Nb2O5 吸収層を備えた検出器の応答性と暗電流に対する光電流の割合は、TiO2 吸収層を備えた検出器よりも優れていました。

現在の研究中に使用および分析されたデータセットは、合理的な要求に応じて責任著者から入手できます。

Alwarappan, S. & Kumar, A. グラフェンベースの材料: 科学と技術 (CRC Press、2013)。

Google Scholar を予約する

Randviir、EP、Brownson、DAC & Banks、CE グラフェン研究の 10 年: 生産、応用、展望。メーター。今日、17、426–432 (2014)。

記事 CAS Google Scholar

ガン、Ｘら。高い応答性を備えたチップ統合型超高速グラフェン光検出器。ナット。フォトニクス 7、883–887 (2013)。

記事 ADS CAS Google Scholar

Novoselov, KS、Colombo, L.、Gellert, PR、Schwab, MG & Kim, K. グラフェンのロードマップ。 Nature 490、192–200 (2012)。

論文 ADS CAS PubMed Google Scholar

Mak, KF、Ju, L.、Wang, F. & Heinz, TF グラフェンの光学分光法: 遠赤外から紫外まで。ソリッドステートコミュニケーション。 152、1341–1349 (2012)。

記事 ADS CAS Google Scholar

Ghuge、AD、Shirode、AR & Kadam、VJ グラフェン: 包括的なレビュー。カー。 Drug Targets 18、724–733 (2017)。

論文 CAS PubMed Google Scholar

Bao, Q.、Hoh, H. & Zhang, Y. グラフェンフォトニクス、オプトエレクトロニクス、およびプラズモニクス (CRC Press、2017)。

MATH を予約する Google Scholar

Nair、RR et al. 微細構造定数はグラフェンの視覚的な透明性を定義します。サイエンス 320、1308 (2008)。

論文 ADS CAS PubMed Google Scholar

フルチ、M.ら。マイクロキャビティ一体型グラフェン光検出器。ナノレット。 12、2773–2777 (2012)。

論文 ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Konstantatos、G. et al. 超高利得を備えたハイブリッドグラフェン - 量子ドットフォトトランジスタ。ナット。ナノテクノロジー。 7、363–368 (2012)。

論文 ADS CAS PubMed Google Scholar

Fang、Z.ら。グラフェンナノディスクアレイによるアクティブな調整可能な吸収強化。ナノレット。 14、299–304 (2014)。

論文 ADS CAS PubMed Google Scholar

Wang, X.、Cheng, Z.、Xu, K.、Tsang, HK & Xu, J.-B. 高応答性のグラフェン/シリコンヘテロ構造導波路光検出器。ナット。フォトニクス 7、888–891 (2013)。

記事 ADS CAS Google Scholar

Pospischil、A. et al. すべての光通信帯域をカバーするCMOS互換のグラフェン光検出器。ナット。フォトニクス 7、892–896 (2013)。

記事 ADS CAS Google Scholar

Zhang、W.ら。原子レベルで薄いグラフェンと MoS2 のヘテロ構造に基づいた超高利得光検出器。科学。議員 4、1–8 (2014)。

Google スカラー

Zhang、D.ら。 pbs 修飾グラフェン表面での調整可能な光センサーへの電荷移動を理解します。上級メーター。 24、2715–2720 (2012)。

論文 CAS PubMed Google Scholar

Jiang, H. et al. 光ゲート効果を操作することによる、グラフェン/シリコン・オン・インシュレーターハイブリッド構造における超高感度で高速な光応答。ナノフォトニクス 9、3663–3672 (2020)。

記事 CAS Google Scholar

Jiang, H. et al. グラフェンとハイパードープシリコンを統合することで実現した超高光利得の短波赤外線検出器。 ACS Nano 16、12777–12785 (2022)。

論文 CAS PubMed Google Scholar

Jiang, H. et al. 電位変動エンジニアリングによるグラフェン光検出器の光ゲート効果の強化。 ACS Nano 16、4458–4466 (2022)。

論文 CAS PubMed Google Scholar

Mueller, T.、Xia, F.、Avoris, P. 高速光通信用のグラフェン光検出器。ナット。フォトニクス 4、297–301 (2010)。

記事 CAS Google Scholar

シウエ、R.-J. 他。シリコンフォトニック集積回路内の高応答グラフェン-窒化ホウ素光検出器および自己相関器。ナノレット。 15、7288–7293 (2015)。

論文 ADS CAS PubMed Google Scholar

Koppens、FHL et al. グラフェン、その他の二次元材料およびハイブリッドシステムに基づく光検出器。ナット。ナノテクノロジー。 9、780–793 (2014)。

論文 ADS CAS PubMed Google Scholar

Xu、J.、Song、YJ、Park、J.-H. & Lee, S. グラフェン/黒リンのヘテロ構造光検出器。固体電子。 144、86–89 (2018)。

記事 ADS CAS Google Scholar

小川伸ほか可視から長波長の赤外波長までのグラフェン光検出器の広帯域光応答。オプション。工学 58、57106 (2019)。

CAS Google スカラー

Luo、F.ら。フォトゲート効果により可視から近赤外まで高感度なグラフェン光検出器。 AIPアドバンス 8、115106 (2018)。

記事 ADS Google Scholar

Guo、X.ら。界面ゲートを使用した高性能グラフェン光検出器。 Optica 3、1066–1070 (2016)。

記事 ADS CAS Google Scholar

ギミレ、MK et al. キャリア温度制御のプラットフォームとしてのグラフェン-CdSe量子ドットハイブリッド。 FlatChem 6、77–82 (2017)。

記事 CAS Google Scholar

リュー、J.-M. & リン、I.-T. グラフェンフォトニクス (ケンブリッジ大学出版局、2018 年)。

Google Scholar を予約する

Yu、X.ら狭いバンドギャップの酸化物ナノ粒子とグラフェンを組み合わせた高性能中赤外光検出。ナット。共通。 9, 4299 (2018)。

論文 ADS PubMed PubMed Central Google Scholar

福島晋ほかフォトゲートを使用した高応答性の中波長赤外グラフェン光検出器。応用物理学。レット。 113、61102 (2018)。

記事 Google Scholar

Li, Z.、Li, Z.、Zuo, C. & Fang, X. UV 光検出器におけるナノ構造 TiO2 の応用: レビュー。上級メーター。 34、2109083 (2022)。

記事 CAS Google Scholar

ファング、Ｘら。個々の Nb2O5 ナノベルトに基づく新しい紫外線光検出器。上級機能。メーター。 21、3907–3915 (2011)。

記事 CAS Google Scholar

Liu, H.、Gao, N.、Liao, M. & Fang, X. 高性能の六角形の Nb2O5 ナノプレートベースの光検出器および光触媒。科学。議員 5、1–9 (2015)。

Google スカラー

Huang、R.ら。偏光感受性光検出器用途のための結晶配向ペロブスカイトナノワイヤアレイのナノチャネル閉じ込め成長。科学。チャイナメーター。 64、2497–2506 (2021)。

記事 CAS Google Scholar

Deng, X.、Li, Z.、Cao, F.、Hong, E. & Fang, X. スケーラブルな UV 光通信デバイス用の織布繊維光検出器。上級機能。メーター。 1、2213334 (2023)。

記事 Google Scholar

レイナ、A.ら。化学気相成長法による任意の基板上への大面積、数層のグラフェン膜。ナノレット。 9、30–35 (2009)。

論文 ADS CAS PubMed Google Scholar

Bae, S. et al. 透明電極用の 30 インチグラフェンフィルムのロールツーロール生産。ナット。ナノテクノロジー。 5、574–578 (2010)。

論文 ADS CAS PubMed Google Scholar

Cheng, C. et al. グラフェンチャネル上での TiO2 の in situ 調製によるグラフェン光検出器の性能向上。上級メーター。テクノロジー。 4、1800548 (2019)。

記事 ADS Google Scholar

Mehrfar、AH および Majd、AE フォトゲート 3 効果によるグラフェンを使用した PtSi2 光検出器の応答性向上。応用オプション。 62、1160 (2023)。

論文 ADS CAS PubMed Google Scholar

Fang, H. & Hu, W. 低次元光検出器におけるフォトゲーティング。上級科学。 4、1700323 (2017)。

記事 Google Scholar

フジワラ、H. 分光エリプソメトリー: 原理と応用 (Wiley、2007)。

Google Scholar を予約する

チャン、D.-Y. 他。紫外光検出器用途向けの単層グラフェン-TiO2 ナノチューブ配列ヘテロ接合。応用サーフィン。科学。 387、1162–1168 (2016)。

記事 ADS CAS Google Scholar

リファレンスをダウンロードする

著者らは教育省に感謝したいと思います。

マレク・アシュタール工科大学、テヘラン、イラン

ザーラ・サデギ・ネイシアーニ、マフディ・カジェ、アブドラ・エスラミ・マジド

PubMed Google Scholar でこの著者を検索することもできます

主なアイデアは MK と ZSN によって提案されました。原稿の概念化: MK 調査、方法論、および検証: MK、ZSN、および AEM。主な原稿執筆: ZSN; レビューと編集: AEM と MK

アブドラ・エスラミ・マジドへの通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

シュプリンガーネイチャーは、発行された地図および所属機関における管轄権の主張に関して中立を保ちます。

オープンアクセスこの記事はクリエイティブコモンズ表示 4.0 国際ライセンスに基づいてライセンスされており、元の著者と情報源に適切なクレジットを表示する限り、あらゆる媒体または形式での使用、共有、翻案、配布、複製が許可されます。クリエイティブコモンズライセンスへのリンクを提供し、変更が加えられたかどうかを示します。この記事内の画像またはその他のサードパーティ素材は、素材のクレジットラインに別段の記載がない限り、記事のクリエイティブコモンズライセンスに含まれています。素材が記事のクリエイティブコモンズライセンスに含まれておらず、意図した使用が法的規制で許可されていない場合、または許可されている使用を超えている場合は、著作権所有者から直接許可を得る必要があります。このライセンスのコピーを表示するには、http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ にアクセスしてください。

転載と許可

Sadeghi Neisiani, Z.、Khaje, M. & Eslami Majd, A. Nb2O5 ベースと TiO2 ベースの光導電性と光ゲート GFET UV 検出器の実験比較。 Sci Rep 13、7104 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41598-023-34295-5

引用をダウンロード

受信日: 2023 年 3 月 12 日

受理日: 2023 年 4 月 27 日

公開日: 2023 年 5 月 2 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-34295-5

次のリンクを共有すると、誰でもこのコンテンツを読むことができます。

申し訳ございませんが、現在この記事の共有リンクは利用できません。

Springer Nature SharedIt コンテンツ共有イニシアチブによって提供

コメントを送信すると、利用規約とコミュニティガイドラインに従うことに同意したことになります。虐待的なもの、または当社の規約やガイドラインに準拠していないものを見つけた場合は、不適切としてフラグを立ててください。