Экспериментальное сравнение Nb2O5

Том 13 научных докладов, Номер статьи: 7104 (2023) Цитировать эту статью

747 Доступов

1 Цитаты

1 Альтметрика

Подробности о метриках

В настоящем исследовании за счет добавления графена в фотопроводящий фотодетектор с поглотительным слоем пентаоксида ниобия (Nb2O5) и использования эффекта фотозатвора чувствительность фотодетектора значительно улучшается. В этом фотодетекторе слой Nb2O5 улавливает свет, а графен улучшает чувствительность за счет эффекта фотозатвора. Фототок и процентное соотношение фототока к темновому току фотозатворного фотодетектора Nb2O5 сравниваются с таковыми соответствующего фотопроводящего фотодетектора. Кроме того, фотопроводящие и фотозатворные фотодетекторы Nb2O5 сравниваются с фотопроводящими и фотозатворными фотодетекторами на основе диоксида титана (TiO2) с точки зрения чувствительности при различных приложенных напряжениях (сток-исток) и напряжениях затвор. Результаты показывают, что фотодетекторы из Nb2O5 имеют лучшие показатели качества (FOM) по сравнению с фотодетекторами из TiO2.

Двумерные материалы могут сильно взаимодействовать со светом. Одним из таких двумерных материалов является графен, который представляет собой монослой атомов углерода, плотно расположенных в кристаллической сетке с двумерной сотовой структурой1. Первый синтетический однослойный графен был изготовлен и охарактеризован Геймом и Новоселовым в 2004 году. За это изобретение Гейм и Новоселов получили Нобелевскую премию по физике в 2010 году2. В 2013 году были созданы двумерные атомные листы графена и новая классификация наноразмерных частиц. были предложены материалы, которые можно использовать в электронике3. Интересные свойства графена включают высокую подвижность заряда, отличную теплопроводность и высокую прочность1,4,5,6,7. Одно из применений графена — фотодетекторы. Однослойный графен может поглощать только 2,3% излучаемого света в диапазоне от 300 до 2500 нм, поэтому он имеет низкую чувствительность8. Чувствительность графеновых фотодетекторов можно улучшить различными способами, включая использование микрорезонаторных структур9, квантовых точек10, массивов графеновых нанодисков11, графеновых волноводов3,12,13, гетероструктур и графена, включенного в различные материалы14,15. Сообщалось о высокой чувствительности графеновых фотодетекторов с эффектом фоторегулирования16,17,18. В 2010 году был изготовлен графеновый детектор. Графеновый детектор имел чувствительность 6,1 мА/Вт на длине волны 1,55 мкм19. В 2012 году был представлен графеновый детектор с полостью. Детектор имел чувствительность 21 мА/Вт на длине волны 850 нм9. В 2015 году был представлен детектор графена и нитрата бора с оптическим волноводом; этот детектор имел чувствительность 0,36 А/Вт20. Были проведены различные исследования графена и процессов поглощения света, в том числе фотоэлектрический эффект (генерация фототока на основе разделения электронов и дырок под действием электрического поля на стыке областей с различными примесями), фотозатворный эффект (поглощение света, изменяющее плотность носителей, что в свою очередь приводит к изменению проводимости компонента в структуре транзистора), болометрический эффект (изменение проводимости в результате светового излучения и повышения температуры) и термоэлектрический эффект (создание напряжения по эффекту Зеебека за счет к повышению температуры носителей)21. Поскольку чувствительность эффекта фоторегулирования значительно выше, чем у других эффектов, в настоящем исследовании основное внимание уделяется этому эффекту. При фотозатворном эффекте один из носителей захватывается слоем поглотителя. Другими словами, время жизни дополнительных носителей увеличивается по мере их отделения друг от друга дефектами и примесями. Если один тип генерируемых носителей захвачен, он может генерировать дополнительное электрическое поле, такое как напряжение на затворе, для модуляции проводимости канала22,23,24,25,26. Такие детекторы с небольшими размерами демонстрируют высокую чувствительность и ограниченную скорость срабатывания из-за увеличения срока службы дополнительных носителей27. В 2012 году была предложена структура графена с квантовыми точками. В этой структуре получена чувствительность 107 А/Вт на длине волны 532 нм10. В 2016 году для обеспечения высокой чувствительности и чувствительности была использована структура графен∕SiO2/слегка легированный Si. Рабочий диапазон — от видимой до ближней инфракрасной области, чувствительность — 1000 А/Вт на длине волны 514 нм. В этом фотодетекторе из-за дефектов между SiO2 и слегка легированным Si электроны накапливаются в ловушках и создают отрицательное напряжение на затворе, вызывая индуцирование большего количества дырок и, таким образом, увеличивая высокий коэффициент усиления25. В 2018 году в качестве светопоглощающего материала был использован черный фосфор (БФ) с прямой запрещенной зоной 0,3 эВ. На длинах волн 655, 785 и 980 нм были получены чувствительности 55,75 А/Вт, 1,82 А/Вт и 0,66 А/Вт соответственно. Возбужденные электроны захватываются ловушками-уровнями, а дырки проходят через слой графена за счет внутреннего потенциала между графеном и BP. Время жизни носителей увеличивается с появлением ловушек. Из-за высокой подвижности графена дырки могут течь в цепи, прежде чем рекомбинировать с электронами. Представленная структура работает в видимой и ближней инфракрасной областях на основе эффекта фоторегулирования22. В 2018 году наночастицы Ti2O3 с шириной запрещенной зоны 0,09 эВ были использованы для изготовления детектора среднего инфракрасного спектра. Механизм тот же, что и раньше. Этот детектор имел чувствительность 300 А/Вт на длине волны 10 мкм28. В 2018 году эффект фотозатвора в графеновых фотодетекторах был исследован с использованием подложки SiO2/n-легированного кремния. На длинах волн 450 нм и 1064 нм чувствительность составила 500 А/Вт и 4 А/Вт соответственно. Изгиб зоны на границе раздела Si/SiO2 разделяет электронно-дырочные пары. Под действием электрического поля электроны движутся к Si, а дырки задерживаются на границе раздела Si/SiO2; накопление дырок на границе раздела Si/Si2 действует как положительный затвор и увеличивает уровень Ферми графена. Это приводит к тому, что графен становится n-типом24. В 2018 году был изготовлен графеновый транзистор на подложке из антимонида индия (InSb). Была достигнута чувствительность 33,8 А/Вт с эффектом фоторегулирования на длине волны 4,6 мкм29. В последние годы были представлены различные фотодетекторы с поглощающими слоями TiO2 и Nb2O5 в УФА-диапазоне30. В 2011 году был предложен наноремень Nb2O5, и при напряжении 1 В была получена чувствительность 15,2 А/Вт31. В 2015 г. был изготовлен фотодетектор из нанопластин Nb2O5 с чувствительностью 24,7 А/Вт при напряжении 1 В32. В 2021 году был изготовлен фотодетектор на основе нанопроволоки MAPbI3, чувствительность которого составила 20,56 А/Вт при напряжении 1 В33. В 2023 году был представлен гетеропереход II типа из гибридного волокна TiO2 НТ/наночастицы Cs3Cu2I5 с чувствительностью 26,9 мА/Вт при - 1 В34. Эффект фоторегистрации можно исследовать в трех различных структурах: квантовых точках10, объемных23,24,25 и тонкопленочных структурах8. Квантовые точки можно интегрировать в двумерные материалы для достижения некоторых преимуществ. Первое преимущество: квантовые точки большей толщины решают проблему низкого оптического поглощения двумерных материалов. Второе преимущество заключается в том, что двумерные материалы обладают высокой подвижностью носителей, а третье преимущество заключается в том, что некоторые двумерные материалы не имеют широкого спектра поглощения, в то время как квантовые точки компенсируют эту ограниченную чувствительность. Для двумерного материала, такого как графен, не существует механизма создания нескольких носителей из одного фотона. Благодаря использованию квантовых точек в схеме может течь большое количество дырок, и в результате коэффициент усиления увеличивается. Это связано с тем, что время жизни захваченных электронов велико, а подвижность носителей в графене высока. Одним из недостатков квантовых точек является их токсичность. Более того, размеры квантовых точек меняют ширину полосы пропускания используемых материалов. В объемных детекторах из-за дефектов между SiO2 и слаболегированным Si электроны накапливаются в ловушках и создают отрицательное напряжение на затворе, вызывая индукцию большего количества дырок и, таким образом, увеличивая коэффициент усиления. Другими словами, изгиб зоны на границе раздела Si/SiO2 разделяет электронно-дырочные пары. Под действием внутреннего поля электроны движутся к подложке Si, в то время как дырки захватываются на границе раздела Si/SiO2, а накопление дырок на границе раздела Si/SiO2 действует как положительный затвор и увеличивает уровень Ферми графена. В результате графен превращается в графен n-типа. Подложка из высоколегированного кремния не используется, поскольку она имеет дополнительные носители с гораздо меньшим сроком службы. Применение объемной структуры ограничено высокоэнергетическими материалами и рентгеновскими лучами23,24,25.