Comparaison expérimentale entre Nb2O5

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 7104 (2023) Citer cet article

747 accès

1 Citations

1 Altmétrique

Détails des métriques

Dans la présente étude, en ajoutant du graphène à un photodétecteur photoconducteur avec une couche absorbante de pentoxyde de niobium (Nb2O5) et en exploitant l'effet photogating, la sensibilité du photodétecteur est considérablement améliorée. Dans ce photodétecteur, la couche de Nb2O5 détecte la lumière et le graphène améliore la réactivité en fonction de l'effet photogating. Le photocourant et le rapport en pourcentage du photocourant au courant d'obscurité du photodétecteur de photogating Nb2O5 sont comparés à ceux du photodétecteur photoconducteur correspondant. En outre, les photodétecteurs photoconducteurs et photogating Nb2O5 sont comparés aux photodétecteurs photoconducteurs et photogating au dioxyde de titane (TiO2) en termes de sensibilité à différentes tensions appliquées (drain-source) et tensions de grille. Les résultats montrent que les photodétecteurs au Nb2O5 ont de meilleurs facteurs de mérite (FOM) par rapport à ceux au TiO2.

Les matériaux bidimensionnels peuvent interagir fortement avec la lumière. L'un de ces matériaux bidimensionnels est le graphène, qui est une monocouche d'atomes de carbone étroitement disposés dans un réseau cristallin avec un motif en nid d'abeille bidimensionnel1. Le premier graphène monocouche synthétique a été fabriqué et caractérisé par Game et Novoselov en 2004. Pour cette invention, Game et Novoselov ont reçu le prix Nobel de physique en 20102. En 2013, des feuilles atomiques bidimensionnelles de graphène et une nouvelle classification à l'échelle nanométrique des matériaux utilisables en électronique ont été proposés3. Les propriétés intéressantes du graphène incluent une mobilité de charge élevée, une excellente conductivité thermique et une résistance élevée1,4,5,6,7. L'une des applications du graphène est dans les photodétecteurs. Le graphène monocouche ne peut absorber que 2,3% de la lumière irradiée de 300 à 2500 nm, il a donc une faible sensibilité8. La sensibilité des photodétecteurs de graphène peut être améliorée de différentes manières, y compris l'utilisation de structures de microcavité9, de points quantiques10, de réseaux de nanodisques de graphène11, de guides d'ondes de graphène3,12,13, d'hétérostructures et de graphène incorporé avec différents matériaux14,15. Une réactivité élevée a été signalée dans les photodétecteurs au graphène avec effet de photogating16,17,18. En 2010, un détecteur de graphène a été fabriqué. Le détecteur de graphène avait une sensibilité de 6,1 mA/W à une longueur d'onde de 1,55 μm19. En 2012, un détecteur de graphène avec une cavité a été présenté. Le détecteur avait une sensibilité de 21 mA/W à une longueur d'onde de 850 nm9. En 2015, un détecteur de graphène et de nitrate de bore avec un guide d'onde optique a été présenté; ce détecteur avait une sensibilité de 0,36 A/W20. Diverses études ont été menées sur le graphène et les processus d'absorption de la lumière, y compris l'effet photovoltaïque (générant un photocourant basé sur la séparation électron-trou sous le champ électrique à la jonction des régions avec différentes impuretés), l'effet photogating (absorption de la lumière qui modifie la densité du porteurs, ce qui entraîne à son tour une modification de la conductivité du composant dans la structure du transistor), effet bolométrique (modification de la conductivité en raison du rayonnement lumineux et de l'augmentation de la température) et effet thermoélectrique (création de tension selon l'effet Seebeck dû à l'augmentation de la température des porteurs)21. Étant donné que la sensibilité de l'effet photogating est beaucoup plus élevée que celle des autres effets, la présente étude se concentre sur cet effet. En effet de photogating, l'un des porteurs est piégé dans la couche absorbante. En d'autres termes, la durée de vie des porteurs supplémentaires augmente à mesure que les porteurs sont séparés les uns des autres par des défauts et des impuretés. Si un type de porteurs générés est piégé, il peut générer un champ électrique supplémentaire tel qu'une tension de grille pour moduler la conductance du canal22,23,24,25,26. De tels détecteurs de petites dimensions présentent une sensibilité élevée et une vitesse de réponse limitée en raison de la prolongation de la durée de vie des porteurs supplémentaires27. En 2012, une structure de graphène avec des points quantiques a été proposée. Dans cette structure, une sensibilité de 107 A/W a été obtenue à une longueur d'onde de 532 nm10. En 2016, la structure graphène∕SiO2/Si légèrement dopé a été utilisée pour une sensibilité et une réactivité élevées. La plage de fonctionnement allait du visible au proche infrarouge, et la sensibilité était de 1000 A/W à une longueur d'onde de 514 nm. Dans ce photodétecteur, du fait des défauts entre SiO2 et le Si faiblement dopé, les électrons s'accumulent dans les pièges et créent une tension de grille négative, provoquant l'induction de plus de trous et augmentant ainsi un gain élevé25. En 2018, le phosphore noir (BP) avec une bande interdite directe de 0,3 eV a été utilisé comme matériau absorbant la lumière. Aux longueurs d'onde de 655 nm, 785 nm et 980 nm, les sensibilités de 55,75 A/W, 1,82 A/W et 0,66 A/W ont été obtenues, respectivement. Les électrons excités sont piégés dans des niveaux de piège et les trous traversent la couche de graphène par le potentiel interne entre le graphène et BP. La durée de vie des porteurs augmente avec les pièges. En raison de la grande mobilité du graphène, des trous peuvent circuler dans le circuit avant de se recombiner avec des électrons. La structure introduite fonctionne dans les régions du visible au proche infrarouge sur la base de l'effet photogating22. En 2018, des nanoparticules de Ti2O3 avec une bande interdite de 0,09 eV ont été utilisées pour fabriquer un détecteur dans le spectre infrarouge moyen. Le mécanisme est le même qu'avant. Ce détecteur avait une sensibilité de 300 A/W pour une longueur d'onde de 10 μm28. En 2018, l'effet de photogating dans les photodétecteurs au graphène a été étudié à l'aide d'un substrat SiO2/n-dopé Si. Aux longueurs d'onde de 450 nm et 1064 nm, les sensibilités étaient respectivement de 500 A/W et 4 A/W. La courbure de la bande à l'interface Si/SiO2 sépare les paires électron-trou. Sous le champ électrique, les électrons se dirigent vers Si tandis que les trous sont piégés à l'interface Si/SiO2 ; l'accumulation de trous à l'interface Si/Si2 agit comme une porte positive et augmente le niveau de Fermi du graphène. Cela fait que le graphène devient de type n24. En 2018, un transistor en graphène a été fabriqué avec un substrat en antimoniure d'indium (InSb). Une sensibilité de 33,8 A/W avec un effet de photogating à une longueur d'onde de 4,6 μm a été atteinte29. Ces dernières années, divers photodétecteurs avec des couches absorbantes TiO2 et Nb2O5 dans la région UVA ont été présentés30. En 2011, une nanoceinture Nb2O5 a été proposée, et à 1 V, une sensibilité de 15,2 A/W a été obtenue31. En 2015, un photodétecteur nanoplaque Nb2O5 a été fabriqué avec une sensibilité de 24,7 A/W à 1 V32. En 2021, un photodétecteur à nanofil MAPbI3 a été fabriqué et une sensibilité de 20,56 A/W à 1 V a été rapportée33. En 2023, une hétérojonction de type II de fibre hybride TiO2 NTs/Cs3Cu2I5 nanoparticules a été présentée avec une sensibilité de 26,9 mA/W à - 1 V34. L'effet de photogating peut être étudié dans trois structures différentes, à savoir le point quantique10, le volume23,24,25 et les structures à couche mince8. Les points quantiques peuvent être intégrés dans des matériaux bidimensionnels pour obtenir certains avantages. Comme premier avantage, les boîtes quantiques de plus grande épaisseur résolvent le problème de la faible absorption optique des matériaux bidimensionnels. Le deuxième avantage est que les matériaux bidimensionnels ont une mobilité élevée des porteurs, et le troisième avantage est que certains matériaux bidimensionnels n'ont pas un large spectre d'absorption tandis que les points quantiques compensent cette réactivité limitée. Pour un matériau bidimensionnel tel que le graphène, il n'existe aucun mécanisme permettant de produire plusieurs porteurs à partir d'un photon. En utilisant des points quantiques, un grand nombre de trous peuvent circuler dans le circuit et, par conséquent, le gain augmente. En effet, la durée de vie des électrons piégés est longue et la mobilité des porteurs dans le graphène est élevée. L'un des inconvénients des points quantiques est leur toxicité. De plus, les dimensions des boîtes quantiques modifient la bande passante des matériaux utilisés. Dans les détecteurs massifs, en raison des défauts entre SiO2 et Si faiblement dopé, les électrons s'accumulent dans les pièges et créent une tension de grille négative, provoquant l'induction de plus de trous et augmentant ainsi le gain. En d'autres termes, la courbure de la bande à l'interface Si/SiO2 sépare les paires électron-trou. Sous le champ interne, les électrons se déplacent vers le substrat Si tandis que les trous sont piégés à l'interface Si/SiO2, et l'accumulation de trous à l'interface Si/SiO2 agit comme une grille positive et augmente le niveau de Fermi du graphène. En conséquence, le graphène est converti en graphène de type n. Un substrat de silicium fortement dopé n'est pas utilisé car il possède des porteurs supplémentaires avec une durée de vie beaucoup plus courte. L'application de la structure en vrac est limitée aux matériaux à haute énergie et aux rayons X23,24,25.

Dans la présente étude, des films minces absorbants Nb2O5 (3,7 eV) et TiO2 (3,2 eV) sont utilisés sur la base du mécanisme de photogating. L'utilisation de matériaux large bande est un avantage pour le photodétecteur car il fonctionne à température ambiante. En transférant le graphène au détecteur photoconducteur, la sensibilité augmente environ 20 fois. L'utilisation d'une couche absorbante Nb2O5 est une technique nouvelle. Les avantages de cette technique sont son faible coût et la simplicité d'obtention du Nb2O5 sans aucune technologie particulière uniquement en combinant quelques solutions. Dans la présente étude, un détecteur photoconducteur avec une couche d'absorbeur Nb2O5 et un photodétecteur de graphène avec la même couche d'absorbeur Nb2O5 sont comparés en termes de sensibilité et de rapport en pourcentage du photocourant au courant d'obscurité. Les sensibilités des détecteurs photogating et photoconducteurs avec la couche absorbante Nb2O5 sont respectivement de 12,69 A/W et 0,65 A/W. Les rapports en pourcentage du photocourant au courant d'obscurité des détecteurs photogating et photoconducteurs avec une couche absorbante Nb2O5 sont respectivement de 2,84% et 0,16% à une tension drain-source de 1,5 V et une tension de grille de 1 V. Les responsivités du détecteur à base de TiO2 les détecteurs photoconducteurs et photogating, qui sont fabriqués dans les mêmes conditions de laboratoire, sont respectivement de 0,45 A/W et 8,32 A/W. Les rapports en pourcentage entre le photocourant et le courant d'obscurité des détecteurs photoconducteurs et photoconducteurs au TiO2 sont de 0,16 % et 2,84 %, respectivement. La sensibilité d'un détecteur photogating avec une couche absorbante Nb2O5 est environ deux fois supérieure à celle d'un détecteur photogating TiO2.

Les étapes de fabrication des photodétecteurs photoconducteurs et photogating avec une couche absorbante Nb2O5 sont illustrées sur les figures 1a à g, respectivement. La figure 1a montre une tranche de silicium de type p d'une épaisseur de 430 μm le long de la direction (100). La surface de silicium a été nettoyée par la méthode RCA. Comme le montre la figure 1b, une couche d'oxyde a été formée sur du silicium avec une épaisseur de 300 nm par oxydation thermique. La quantité de dopage était de 11 à 13 Ω/cm et la densité de courant de fuite de l'échantillon d'oxyde était de 0,205 A/m2. Comme le montre la figure 1c, 30 nm de Nb ont été déposés sur la couche de SiO2 par dépôt physique en phase vapeur par faisceau d'électrons. Ensuite, comme le montre la figure 1d, un processus anodique a été utilisé pour former une couche absorbante Nb2O5 de 81 nm sur SiO2. Pour l'anodisation de Nb, un électrolyte composé de 1200 ml d'éthylène glycol C2H6O2, 800 ml de H2O et 160 g de (NH4) B5O6 a été utilisé. La couche Nb a été connectée au pôle positif et l'électrode de platine, qui se trouvait à l'intérieur de la solution d'anodisation, a été connectée au pôle négatif, et le processus d'anodisation a été effectué. Comme le montrent les figures 1e, f, les électrodes interchiffres ont été modelées sur la structure à l'aide du processus de lithographie. A cet effet, un masque de verre a été utilisé. La largeur de chaque électrode métallique était de 10 µm et la largeur du transistor (w) était de 5000 µm. La distance entre deux électrodes métalliques (longueur) était de 12,5 μm et le nombre de distances (n) était de 249. En conséquence, comme le montre l'Eq. (1), la largeur totale du transistor est de 1245 mm.

où WTotal est la largeur totale du transistor, n est le nombre de distances et w est la largeur du transistor.

( a - f ) Étapes de fabrication d'un photodétecteur photoconducteur avec une couche d'absorbeur Nb2O5 et (a - g) étapes de fabrication d'un photodétecteur de photodétection avec une couche d'absorbeur Nb2O5 et du graphène.

Pour fabriquer le photodétecteur photogating, toutes les étapes sont les mêmes que celles réalisées pour le photodétecteur photoconducteur ; seulement à la fin, comme le montre la figure 1g, le graphène est transféré à la structure photoconductrice finale. Dans cette structure, le graphène, qui était le produit de la société Graphene et développé à l'aide de la méthode de dépôt chimique en phase vapeur (CVD), a été utilisé35,36.

La figure 2 montre les bandes d'énergie pour les hétérostructures de graphène et de Nb2O5. En plaçant la monocouche de graphène sur la couche de Nb2O5, en raison de la différence de niveau de Fermi des deux matériaux, une barrière de potentiel intégrée est créée entre les deux matériaux. Ensuite, le rayonnement lumineux dans la plage de la bande interdite de la couche Nb2O5 conduit à la production de paires électron-trou à l'intérieur de la couche Nb2O5. En raison de la barrière de potentiel entre le graphène et la couche de Nb2O5, les électrons se déplacent vers la couche de graphène, mais les trous sont piégés à l'intérieur de la couche de Nb2O5. Le piégeage des trous modifie le niveau d'énergie de Fermi du graphène et la résistance du canal de graphène, provoquant un important photocourant22,23,24,25,26.

(a) niveau d'énergie du graphène et du Nb2O5, (b) niveau d'énergie du graphène et du Nb2O5 lorsqu'ils sont liés l'un à l'autre, (c) rayonnement UV et production de paires électron-trou dans la couche de Nb2O5, et (d) accumulation de trous derrière la barrière de potentiel intégrée à l'interface graphène/Nb2O5 et le changement du niveau d'énergie de Fermi du graphène37.

Le graphène a été transféré par une méthode de transfert humide en sept étapes, y compris la gravure de la couche de cuivre, la préparation du substrat et le transfert de graphène. Le processus commence par éliminer le graphène indésirable qui est placé sous la couche de cuivre pendant le processus CVD. Ce processus a été effectué dans une solution d'acide nitrique à 20 % dans laquelle le substrat a été maintenu pendant environ cinq minutes. Ensuite, le cuivre a été gravé en utilisant du chlorure de fer (III) 0,2 M pendant près de deux heures. Une fois les résidus métalliques éliminés par RCA, le substrat était prêt pour le transfert de graphène, mais avant cela, le substrat doit être préparé. Ensuite, le substrat a été immergé dans une solution de piranha à 70 \(^\circ{\rm C}\) pendant environ 15 min. Ensuite, le graphène a été transféré sur le substrat préparé. Les deux étapes suivantes ont été réalisées pour augmenter l'adhérence à l'interface graphène/substrat et éliminer le poly(méthacrylate de méthyle) (PMMA). Le substrat a été chauffé modérément à l'aide d'un appareil de chauffage à une température de 80 \(^\circ{\rm C}\) pendant environ cinq minutes avant d'être soumis à une température plus élevée de 130 \(^\circ{\rm C}\) pendant environ 20 min. Ensuite, le substrat a été laissé refroidir pendant quelques minutes à température ambiante. Le processus s'est terminé par l'élimination du PMMA via une solution de N-méthyl-2-pyrrolidone (NMP) à une température de 70 \(^\circ{\rm C}\) pendant environ 15 min.

La figure 3 montre les images de microscopie électronique à balayage (SEM, Tescan VEGA3) du graphène transféré sur la couche de SiO2 et des électrodes interdigit à la couche de Nb2O5. La figure 3a montre les grains du graphène monocouche qui a été recuit pendant une heure à 550 ℃ et sous un vide de 4,4 \(\times\) 10–6 Torr pour éliminer les résidus de PMMA. La résistance moyenne de feuille de graphène a été obtenue par la méthode de van der Pauw. Un dispositif de mesure à semi-conducteur HP4450 a été utilisé à une tension de 1 V et un courant de 1 μ\(\mathrm{A}\). La résistance carrée de la couche de graphène était d'environ 1600 \(\pm 10\%\) ohms/carré. Un exemple de la conception d'électrodes interdigitales est illustré à la figure 3b. La résistance de contact des électrodes de graphène et de nickel a été mesurée à environ 640 Ω μm ± 15 % en utilisant la méthode de la ligne de transmission (TLM). Heureusement, la résistance de contact était suffisamment bonne pour ne pas affecter le processus de fabrication du photodétecteur, bien qu'une résistance de contact inférieure soit préférable.

(a) Grains de graphène monocouche et (b) un échantillon de conception d'électrode interdigit sur la couche absorbante Nb2O5.

Dans l'effet de photogating, si une espèce des porteurs générés est piégée, elle peut générer un champ électrique supplémentaire, sous la forme de la tension de grille, pour moduler la conductance du canal. Les photodétecteurs de petites dimensions présentent une grande sensibilité. Dans l'effet photovoltaïque, les paires électron-trou produites sont recombinées en picosecondes. Cependant, la durée de vie des porteurs dans l'effet photogating est plus longue que celle dans l'effet photovoltaïque, soit 1 s contre environ 20 ms27. Le gain peut être obtenu en utilisant Eq. (2). Comme on peut le conclure à partir de cette équation, la sensibilité et le photocourant augmentent avec l'augmentation du temps de piégeage et la diminution de l'intervalle de temps pendant lequel les porteurs traversent le canal du graphène (temps de transit). À mesure que le canal de graphène devient plus court, le photocourant et la sensibilité augmentent, tandis que la surface effective du photodétecteur diminue38.

Le temps pendant lequel les porteurs de charge libres voyagent du drain à la source est noté « τtr » et l'intervalle de temps pendant lequel ces porteurs de charge libres sont piégés à proximité des nanoparticules est noté « τlife ».

Si la durée de vie d'un électron supplémentaire est plus longue que le temps de transit (τlife > τtr), l'électron supplémentaire atteint l'anode et un autre électron pénètre immédiatement dans le photoconducteur pour maintenir la neutralité de la charge et dérive vers la borne de l'anode. Ce processus est répété jusqu'à ce que l'électron supplémentaire se recombine avec un trou. Ce processus prend τvie en moyenne, et le gain est supérieur à l'unité. Cependant, si τlife < τtr, l'électron supplémentaire se recombine avec un trou avant que le transit ne soit terminé. Pour obtenir un gain supérieur à l'unité sans production de plusieurs paires électron-trou, une puissance plus élevée par un circuit externe est nécessaire. L'équation (3) calcule le photocourant du photodétecteur39.

où \({C}_{ox}\) est le condensateur diélectrique par unité de surface, et W et L sont respectivement la largeur et la longueur du canal de graphène.

De l'éq. (4), le photocourant net est indépendant de l'épaisseur du film de SiO2, alors qu'il dépend du temps de transit du porteur et de la quantité de charge électrique photoinduite comme suit :

où ∆Q est la quantité de charge électrique photoinduite et τtr est le temps de transit du porteur dans le canal du graphène.

Comme le montre l'éq. (5), la quantité de courant générée dans ce type de détecteur dépend de α et d comme indiqué ci-dessous40.

où \(\alpha\) est le coefficient d'absorption et d est l'épaisseur de la couche absorbante.

Pour augmenter le courant, des matériaux à fort coefficient d'absorption sont utilisés car selon l'Eq. (6), avec l'augmentation de d, Cox diminue. De plus, selon les éqs. (7) et (8), la diminution de Cox réduit gm et, par conséquent, le photocourant diminue. Par conséquent, l'épaisseur de la couche absorbante, d, devrait avoir une limite optimale, qui est égale à 81 nm (Nb2O5) dans la présente étude. Le facteur de conversion oxyde-métal de Nb est de 2,7, ce qui signifie que pour 1 nm de Nb, 2,7 nm de Nb2O5 sont formés.

où \(\varepsilon\) est la constante diélectrique et \({\varepsilon }_{0}\) est la permittivité du vide.

où \({g}_{m}\) est la transconductance donnée comme suit :

où VGS est la tension de commande.

Certains des facteurs de mérite (FOM) des photodétecteurs sont évalués optiquement. Les caractéristiques optiques, sauf cas particuliers, ont été obtenues à l'aide d'un laser hélium-cadmium d'une puissance de 1 µW, d'une longueur d'onde de 325 nm et d'une fréquence de découpage de 3 kHz. Comme le montre la figure 4, pour la caractérisation optique, la lumière laser frappe un miroir et la lumière réfléchie atteint un hacheur puis le photodétecteur. La sortie du détecteur est connectée à l'entrée d'un amplificateur synchrone.

Configuration de la caractérisation optique. La configuration comprend un laser, un séparateur de faisceau, un amplificateur à verrouillage (Bentham) et un hacheur optique.

L'utilisation de cette configuration optique présente deux avantages. Le premier avantage est que le bruit ambiant est éliminé, et le deuxième avantage est que même la plus faible quantité de photocourant peut être observée avec cette configuration. Les photodétecteurs photoconducteurs et photogating avec des couches absorbantes Nb2O5 et TiO2 ont été examinés optiquement.

Comme le montre le tableau 1, la couche de Nb a été déposée sur le substrat de silicium par un dispositif à faisceau d'électrons, et la couche de Nb2O5 a été obtenue par anodisation avec un facteur de conversion oxyde-métal de 2,7. La couche de Ti a été déposée sur le substrat de silicium par pulvérisation, et le TiO2 a été obtenu par la méthode d'oxydation avec un facteur de conversion oxyde-métal de 1,7.

La figure 5a montre le profil du détecteur photoconducteur Nb2O5 et la figure 5b montre le profil du détecteur de photogating Nb2O5. Comme le montre la figure 5, la tension drain-source (VDS) est appliquée aux deux extrémités de la couche de graphène et la tension de commande (VGS) est appliquée au substrat de silicium via des contacts ohmiques.

(a) Profil de photodétecteur photoconducteur Nb2O5 et (b) Profil de photodétecteur de photogating Nb2O5 et les points de connexion VDS et VGS.

La figure 6a montre le photocourant en μA en fonction de la tension drain-source pour les photodétecteurs photoconducteurs et photogating avec la couche absorbante Nb2O5. Le photocourant du photodétecteur photoconducteur passe de 0,533 à 0,64 μA. En ajoutant du graphène, le photocourant passe de 7,87 et 12,69 μA dans la plage de tension drain-source de 0,1 à 1,5 V. À mesure que la valeur de VDS augmente, en raison de la réduction de la barrière de potentiel, les électrons se déplacent plus facilement de Nb2O5 au graphène, et par conséquent, l'augmentation de Iph est plus importante. En d'autres termes, selon l'Eq. (6), avec l'augmentation de VDS, gm et par conséquent, Iph augmente. La figure 6b montre le rapport en pourcentage du photocourant au courant d'obscurité pour les photodétecteurs photoconducteurs et photogating avec la couche absorbante Nb2O5. Avec l'augmentation de la tension drain-source, le rapport du photocourant au courant d'obscurité diminue et la valeur la plus basse est observée à la tension drain-source avec la plus grande sensibilité, c'est-à-dire à 1,5 V. Non seulement la sensibilité change légèrement avec l'augmentation de la tension, mais aussi une augmentation supplémentaire de VDS permet à beaucoup de courant de passer à travers le photodétecteur, et l'appareil chauffe. Cela a un effet négatif sur les performances de l'appareil. Comme le montre la figure 6a, la valeur de Iph a une relation directe avec VDS, tandis que Idark dépend non seulement de VDS mais également d'autres facteurs, tels que la durée de vie de la porteuse. Par conséquent, la tendance de la courbe Iph/Idark résulte des différences entre les pentes de Iph et Idark. Dans les détecteurs photoconducteurs et photogating, les rapports en pourcentage du photocourant au courant d'obscurité sont de 0,16% et 2,84%, respectivement, à une longueur d'onde de 325 nm, un VDS de 1,5 V et une puissance de 1 μW.

(a) Changements du photocourant en microampères pour les détecteurs photoconducteurs et photogating avec couche absorbante Nb2O5 par rapport à la tension drain-source et (b) changements dans le rapport en pourcentage du photocourant au courant d'obscurité des détecteurs photoconducteurs et photogating avec couche absorbante Nb2O5 par rapport au drain- tension source pour P = 1 μW et VGS = 1 V.

Un critère simple est défini pour comparer le courant d'obscurité des détecteurs photoconducteurs et photogating à différentes tensions drain-source. Sur la figure 7, les rapports du courant d'obscurité des détecteurs sont comparés. Cette figure montre le rapport du courant d'obscurité du photodétecteur photoconducteur avec Nb2O5 à celui avec TiO2 et le rapport du courant d'obscurité du photodétecteur photogating avec Nb2O5 à celui avec TiO2, en fonction de la tension drain-source. En général, le rapport du courant d'obscurité avec la couche absorbante Nb2O5 au courant d'obscurité avec la couche absorbante TiO2 est plus élevé dans le détecteur à photogating que dans le détecteur photoconducteur. Les courants d'obscurité des détecteurs photogating et photoconducteurs avec la couche Nb2O5 sont meilleurs que ceux des détecteurs photogating et photoconducteurs avec la couche absorbante TiO2.

Rapport du courant d'obscurité du photodétecteur photoconducteur avec Nb2O5 à celui avec TiO2 et le rapport du courant d'obscurité du photodétecteur photogating avec Nb2O5 à celui avec TiO2, en fonction de la tension drain-source pour P = 1 μW et VGS = 1 V.

La figure 8 montre les sensibilités de quatre photodétecteurs photoconducteurs et photogating avec des couches absorbantes Nb2O5 et TiO2 dans la plage VDS de 0,1 à 1,5 V. Le photodétecteur photogating avec la couche absorbante Nb2O5 a la sensibilité la plus élevée à toutes les tensions VDS. De plus, les sensibilités des détecteurs photoconducteurs ne changent pas de manière significative avec l'augmentation de VDS contrairement aux deux photodétecteurs photogating. Cependant, en raison de l'effet de photogating des deux détecteurs (c'est-à-dire des détecteurs avec des couches Nb2O5/Gr et TiO2/Gr), le temps de piégeage des porteurs augmente, et donc, la sensibilité et l'augmentation du photocourant. La sensibilité dépend également du niveau d'énergie initial de la couche de graphène. A une tension drain-source de 1,5 V, le rapport de sensibilité du photodétecteur Nb2O5/Gr à celui du photodétecteur TiO2/Gr est d'environ 2, et le rapport de la sensibilité du photodétecteur Nb2O5 à celle du photodétecteur TiO2 est d'environ 1.5. Cela indique les meilleures performances de la couche absorbante Nb2O5 par rapport à la couche absorbante TiO2 alors que ces deux couches ont été réalisées dans les mêmes conditions de laboratoire.

Réactivité des photodétecteurs photogating et photoconducteurs (axe de gauche). Le rapport de la sensibilité du photodétecteur photoconducteur Nb2O5 à celle du photodétecteur photoélectrique TiO2, et le rapport de la sensibilité du photodétecteur photoconducteur Nb2O5 à celle du photodétecteur photoconducteur TiO2 (axe de droite) à différentes tensions drain-source, P = 1 μW et VGS = 1 V.

Comme le montre le tableau 2, les sensibilités des détecteurs photogating sont meilleures que celles des détecteurs photoconducteurs. Les sensibilités des deux types de détecteurs avec la couche absorbante Nb2O5 sont plus élevées que celles avec la couche absorbante TiO2. La valeur de \({I}_{foncé}^{{Nb}_{2}{O}_{5}/Gr}/{I}_{foncé}^{Ti{O}_{2}/ Gr}\) des détecteurs photogating est supérieur à la valeur de \({I}_{sombre}^{{Nb}_{2}{O}_{5}}/{I}_{sombre}^{ Ti{O}_{2}}\) du détecteur photoconducteur.

La figure 9a montre la sensibilité en termes de tension de grille. Comme le montre cette figure, les sensibilités des détecteurs photoconducteurs ne changent pas de manière significative avec l'augmentation de VGS. Cependant, dans les détecteurs de photogating, le temps de piégeage des porteurs augmente en raison de l'effet de photogating, de sorte que la sensibilité et le photocourant augmentent. La sensibilité dépend également du niveau d'énergie initial de la couche de graphène. Par conséquent, il est prouvé que l'augmentation de la sensibilité du photodétecteur avec l'augmentation du VGS est due au transfert de la couche de graphène vers la couche d'absorbeur de TiO2.

(a) Réactivité des détecteurs photoconducteurs et photogating en fonction de la tension de grille à P = 1 μW et VDS = 0,5 V, et (b) courbe bleue (point de Dirac), courbe rouge (réactivité) et courbe verte (gm = ∂Id/ ∂Vg).

Comme le montre la figure 9a, avec l'augmentation de la tension de grille, la sensibilité des détecteurs de photogating augmente. Les points de Dirac des photodétecteurs Nb2O5 et TiO2 sont situés respectivement à 20 V et 15 V. Aux points de Dirac, non seulement les détecteurs photogating ont la plus grande sensibilité, mais aussi les courbes ont la pente la plus élevée autour des points de Dirac. Comme le montrent les courbes des détecteurs photogating, une augmentation supplémentaire de la tension de grille a une tendance à la baisse et la sensibilité diminue. La raison en est illustrée à la Fig. 9b. Sur cette figure, la courbe bleue montre le photocourant en termes de tension de grille dans le matériau graphène. Le minimum de la courbe bleue est le point de Dirac. La tension de Dirac correspond au moment où les nombres d'électrons et de trous sont les mêmes. Comme il ressort clairement de la courbe bleue, aux tensions de grille éloignées du point de Dirac, le photocourant est indépendant de la tension de grille, donc l'augmentation ou la diminution de la tension de grille n'affecte pas la valeur du photocourant. Comme indiqué, la pente la plus raide de la courbe se situe quelque part près du point de Dirac. De l'éq. (8) et la courbe verte, cette pente est à gm = ∂Id/∂Vg, et le maximum de la courbe de réactivité, qui est représenté en rouge, se situe aux points de pente la plus élevée.

Comme le montre la figure 10, la bande passante des photodétecteurs photoconducteurs et photogating avec une couche absorbante Nb2O5 a été calculée en tant que FOM. Avec l'augmentation de la fréquence, le critère de réponse en fréquence ne diminue pas sensiblement. Ces résultats indiquent que les deux photodétecteurs peuvent être utilisés dans des applications telles que l'imagerie UV et de nombreux systèmes modernes, avec une exigence de fréquence allant jusqu'à 5 kHz.

Critères de réponse en fréquence des détecteurs photoconducteurs et photogating avec couche absorbante Nb2O5 à P = 1 μW, VDS = 0,5 V et VGS = 1 V.

Le tableau 3 compare les détecteurs photoconducteurs/photogating avec les couches absorbantes Nb2O5/TiO2 (présentées dans cette étude) et les détecteurs précédents présentés dans d'autres articles avec les mêmes matériaux de couche absorbante. Selon ce tableau, les détecteurs avec la couche absorbante Nb2O5 ont une meilleure réactivité que ceux avec la couche absorbante TiO2. Les détecteurs Nb2O5 Nanobelts et Nb2O5 nanoplates ont une meilleure réactivité que les détecteurs photoconducteurs et photogating Nb2O5 à couches minces. Le détecteur à nanoplaques Nb2O5 a une meilleure réactivité que la nanoceinture Nb2O5, mais la fabrication du détecteur Nb2O5 à couche mince est plus simple que les détecteurs à nanoplaques et nanoceintures Nb2O5.

Une couche absorbante Nb2O5 a été utilisée pour fabriquer un détecteur de graphène basé sur l'effet photogating. De plus, un procédé d'anodisation a été utilisé pour produire cette couche absorbante à partir d'une fine couche de Nb. Ces processus n'ont pas été menés dans la littérature et ont été présentés dans cette étude pour la première fois. Il convient de noter que par rapport aux photodétecteurs avec une couche absorbante TiO2, les photodétecteurs avec une couche absorbante Nb2O5 ont obtenu de meilleurs résultats en termes de coût, de simplicité du processus de fabrication et de haute valeur de sensibilité. Avec un rayonnement laser de 325 nm, une puissance de 1 μW, à une tension drain-source de 1,5 V et une tension de grille de 1 V, les sensibilités des détecteurs photoconducteurs et de photogating avec la couche absorbante de TiO2 étaient de 0,45 A/W et 8,32 A /W, respectivement, tandis que les sensibilités des détecteurs photoconducteurs et photogating avec la couche absorbante Nb2O5 étaient respectivement de 0,65 A/W et 12,69 A/W. De plus, les rapports en pourcentage du photocourant au courant d'obscurité des détecteurs photoconducteurs et de photogating avec la couche d'absorbeur de TiO2 étaient de 0,003 % et 0,111 %, respectivement. Cependant, les rapports en pourcentage du photocourant au courant d'obscurité des détecteurs photoconducteurs et de photogating avec la couche d'absorbeur de TiO2 étaient de 0,16 % et 2,84 %, respectivement. Par conséquent, les sensibilités et les rapports en pourcentage du photocourant au courant d'obscurité dans les détecteurs avec la couche absorbante Nb2O5 étaient meilleurs que les détecteurs avec la couche absorbante TiO2.

Les ensembles de données utilisés et analysés au cours de la présente étude sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

Alwarappan, S. & Kumar, A. Matériaux à base de graphène : science et technologie (CRC Press, 2013).

Réserver Google Scholar

Randviir, EP, Brownson, DAC & Banks, CE Une décennie de recherche sur le graphène : production, applications et perspectives. Mater. Aujourd'hui 17, 426-432 (2014).

Article CAS Google Scholar

Gan, X. et al. Photodétecteur au graphène ultra-rapide intégré à la puce avec une grande sensibilité. Nat. Photonics 7, 883–887 (2013).

Article ADS CAS Google Scholar

Novoselov, KS, Colombo, L., Gellert, PR, Schwab, MG et Kim, K. Une feuille de route pour le graphène. Nature 490, 192-200 (2012).

Article ADS CAS PubMed Google Scholar

Mak, KF, Ju, L., Wang, F. & Heinz, TF Spectroscopie optique du graphène : de l'infrarouge lointain à l'ultraviolet. Solid State Commun. 152, 1341-1349 (2012).

Article ADS CAS Google Scholar

Ghuge, AD, Shirode, AR & Kadam, VJ Graphene : Une revue complète. Courant. Drug Targets 18, 724–733 (2017).

Article CAS PubMed Google Scholar

Bao, Q., Hoh, H. & Zhang, Y. Graphène Photonique, Optoélectronique et Plasmonique (CRC Press, 2017).

Livre MATH Google Scholar

Nair, RR et al. La constante de structure fine définit la transparence visuelle du graphène. Sciences 320, 1308 (2008).

Article ADS CAS PubMed Google Scholar

Furchi, M. et al. Photodétecteur au graphène intégré à la microcavité. Nano Lett. 12, 2773–2777 (2012).

Article ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Konstantos, G. et al. Phototransistors hybrides graphène-point quantique à gain ultra élevé. Nat. Nanotechnologie. 7, 363–368 (2012).

Article ADS CAS PubMed Google Scholar

Fang, Z. et al. Amélioration active de l'absorption accordable avec des réseaux de nanodisques de graphène. Nano Lett. 14, 299-304 (2014).

Article ADS CAS PubMed Google Scholar

Wang, X., Cheng, Z., Xu, K., Tsang, HK et Xu, J.-B. Photodétecteurs à guide d'onde graphène/silicium-hétérostructure à haute sensibilité. Nat. Photonics 7, 888–891 (2013).

Article ADS CAS Google Scholar

Pospischil, A. et al. Photodétecteur au graphène compatible CMOS couvrant toutes les bandes de communication optique. Nat. Photonique 7, 892–896 (2013).

Article ADS CAS Google Scholar

Zhang, W. et al. Photodétecteurs à gain ultra-élevé basés sur des hétérostructures graphène-MoS2 atomiquement minces. Sci. Rep. 4, 1–8 (2014).

Google Scholar

Zhang, D. et al. Comprendre le transfert de charge sur des surfaces de graphène décorées de pbs vers un photocapteur accordable. Adv. Mater. 24, 2715-2720 (2012).

Article CAS PubMed Google Scholar

Jiang, H. et al. Photoréponse ultrasensible et rapide dans une structure hybride graphène/silicium sur isolant en manipulant l'effet photogating. Nanophotonique 9, 3663–3672 (2020).

Article CAS Google Scholar

Jiang, H. et al. Détecteurs infrarouges à ondes courtes à photogain ultra élevé activés par l'intégration de graphène et de silicium hyperdopé. ACS Nano 16, 12777–12785 (2022).

Article CAS PubMed Google Scholar

Jiang, H. et al. Effet de photogating amélioré dans les photodétecteurs de graphène via une ingénierie de fluctuation potentielle. ACS Nano 16, 4458–4466 (2022).

Article CAS PubMed Google Scholar

Mueller, T., Xia, F. & Avouris, P. Photodétecteurs au graphène pour les communications optiques à haut débit. Nat. Photonics 4, 297–301 (2010).

Article CAS Google Scholar

Shiue, R.-J. et coll. Photodétecteur graphène-nitrure de bore à haute sensibilité et autocorrélateur dans un circuit intégré photonique au silicium. Nano Lett. 15, 7288–7293 (2015).

Article ADS CAS PubMed Google Scholar

Koppens, FHL et al. Photodétecteurs à base de graphène, autres matériaux bidimensionnels et systèmes hybrides. Nat. Nanotechnologie. 9, 780–793 (2014).

Article ADS CAS PubMed Google Scholar

Xu, J., Song, YJ, Park, J.-H. & Lee, S. Photodétecteur hétérostructuré graphène/phosphore noir. Électron à l'état solide. 144, 86–89 (2018).

Article ADS CAS Google Scholar

Ogawa, S. et al. Photoréponse à large bande du photodétecteur de graphène du visible aux longueurs d'onde infrarouges à grande longueur d'onde. Opter. Ing. 58, 57106 (2019).

CAS Google Scholar

Luo, F. et al. Photodétecteurs au graphène haute sensibilité du visible au proche infrarouge par effet photogating. AIP Adv. 8, 115106 (2018).

Annonces d'article Google Scholar

Guo, X. et al. Photodétecteur au graphène hautes performances utilisant un déclenchement interfacial. Optique 3, 1066-1070 (2016).

Article ADS CAS Google Scholar

Ghimire, MK et al. Hybride de points quantiques graphène-CdSe comme plate-forme pour le contrôle de la température des porteurs. FlatChem 6, 77–82 (2017).

Article CAS Google Scholar

Liu, J.-M. & Lin, I.-T. Graphène Photonique (Cambridge University Press, 2018).

Réserver Google Scholar

Yu, X. et al. Nanoparticules d'oxyde à bande interdite étroite couplées à du graphène pour une photodétection dans l'infrarouge moyen haute performance. Nat. Commun. 9, 4299 (2018).

Article ADS PubMed PubMed Central Google Scholar

Fukushima, S. et al. Photodétecteurs au graphène infrarouge à longueur d'onde moyenne à haute sensibilité utilisant le photo-gating. Appl. Phys. Lett. 113, 61102 (2018).

Article Google Scholar

Li, Z., Li, Z., Zuo, C. & Fang, X. Application du TiO2 nanostructuré dans les photodétecteurs UV : Une revue. Adv. Mater. 34, 2109083 (2022).

Article CAS Google Scholar

Fang, X. et al. Nouveau photodétecteur ultraviolet basé sur des nanoceintures Nb2O5 individuelles. Adv. Fonct. Mater. 21, 3907–3915 (2011).

Article CAS Google Scholar

Liu, H., Gao, N., Liao, M. & Fang, X. Photodétecteurs à base de nanoplaques Nb2O5 de type hexagonal et photocatalyseur à hautes performances. Sci. Rep. 5, 1–9 (2015).

Google Scholar

Huang, R. et al. Croissance confinée à un nanocanal de réseaux de nanofils de pérovskite orientés cristallographiquement pour une application de photodétecteur sensible à la polarisation. Sci. Chine Mater. 64, 2497-2506 (2021).

Article CAS Google Scholar

Deng, X., Li, Z., Cao, F., Hong, E. et Fang, X. Photodétecteurs fibreux tissés pour dispositif de communication optique UV évolutif. Adv. Fonct. Mater. 1, 2213334 (2023).

Article Google Scholar

Reina, A. et al. Films de graphène à grande surface et à quelques couches sur des substrats arbitraires par dépôt chimique en phase vapeur. Nano Lett. 9, 30–35 (2009).

Article ADS CAS PubMed Google Scholar

Bae, S. et al. Production roll-to-roll de films de graphène de 30 pouces pour électrodes transparentes. Nat. Nanotechnologie. 5, 574–578 (2010).

Article ADS CAS PubMed Google Scholar

Cheng, C. et al. Amélioration des performances des photodétecteurs de graphène via la préparation in situ de TiO2 sur des canaux de graphène. Adv. Mater. Technol. 4, 1800548 (2019).

Annonces d'article Google Scholar

Mehrfar, AH & Majd, AE Amélioration de la sensibilité dans un photodétecteur PtSi2 avec du graphène par photogating 3 effet. Appl. Opter. 62, 1160 (2023).

Article ADS CAS PubMed Google Scholar

Fang, H. & Hu, W. Photogating dans des photodétecteurs de faible dimension. Adv. Sci. 4, 1700323 (2017).

Article Google Scholar

Fujiwara, H. Ellipsométrie spectroscopique : principes et applications (Wiley, 2007).

Réserver Google Scholar

Zhang, D.-Y. et coll. Hétérojonction à matrice de nanotubes de graphène-TiO2 monocouche pour une application de photodétecteur ultraviolet. Appl. Le surf. Sci. 387, 1162-1168 (2016).

Article ADS CAS Google Scholar

Télécharger les références

Les auteurs tiennent à remercier le ministère de l'Éducation.

Université de technologie Malek Ashtar, Téhéran, Iran

Zahra Sadeghi Neisiani, Mahdi Khaje & Abdollah Eslami Majd

Vous pouvez également rechercher cet auteur dans PubMed Google Scholar

Vous pouvez également rechercher cet auteur dans PubMed Google Scholar

Vous pouvez également rechercher cet auteur dans PubMed Google Scholar

L'idée principale a été suggérée par MK et ZSN ; Conceptualisation du manuscrit : MK Investigation, méthodologie et validation : MK, ZSN et AEM ; Rédaction du manuscrit principal : ZSN ; Révision et édition : AEM et MK

Correspondance à Abdollah Eslami Majd.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

Springer Nature reste neutre en ce qui concerne les revendications juridictionnelles dans les cartes publiées et les affiliations institutionnelles.

Libre accès Cet article est sous licence Creative Commons Attribution 4.0 International, qui autorise l'utilisation, le partage, l'adaptation, la distribution et la reproduction sur tout support ou format, à condition que vous accordiez le crédit approprié à l'auteur ou aux auteurs originaux et à la source, fournissez un lien vers la licence Creative Commons et indiquez si des modifications ont été apportées. Les images ou tout autre matériel de tiers dans cet article sont inclus dans la licence Creative Commons de l'article, sauf indication contraire dans une ligne de crédit au matériel. Si le matériel n'est pas inclus dans la licence Creative Commons de l'article et que votre utilisation prévue n'est pas autorisée par la réglementation légale ou dépasse l'utilisation autorisée, vous devrez obtenir l'autorisation directement du détenteur des droits d'auteur. Pour voir une copie de cette licence, visitez http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Réimpressions et autorisations

Sadeghi Neisiani, Z., Khaje, M. & Eslami Majd, A. Comparaison expérimentale entre le détecteur UV GFET photoconducteur et photogating à base de Nb2O5 et de TiO2. Sci Rep 13, 7104 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-34295-5

Télécharger la citation

Reçu : 12 mars 2023

Accepté : 27 avril 2023

Publié: 02 mai 2023

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

Toute personne avec qui vous partagez le lien suivant pourra lire ce contenu :

Désolé, aucun lien partageable n'est actuellement disponible pour cet article.

Fourni par l'initiative de partage de contenu Springer Nature SharedIt

En soumettant un commentaire, vous acceptez de respecter nos conditions d'utilisation et nos directives communautaires. Si vous trouvez quelque chose d'abusif ou qui ne respecte pas nos conditions ou directives, veuillez le signaler comme inapproprié.