Experimenteller Vergleich zwischen Nb2O5

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 7104 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Details zu den Metriken

In der vorliegenden Studie wird durch die Zugabe von Graphen zu einem fotoleitenden Fotodetektor mit einer Niobpentoxid (Nb2O5)-Absorberschicht und die Ausnutzung des Fotogating-Effekts die Reaktionsfähigkeit des Fotodetektors erheblich verbessert. In diesem Fotodetektor erkennt die Nb2O5-Schicht das Licht und das Graphen verbessert die Reaktionsfähigkeit basierend auf dem Photogating-Effekt. Der Photostrom und das prozentuale Verhältnis von Photostrom zu Dunkelstrom des Nb2O5-Photodetektors werden mit denen des entsprechenden photoleitenden Photodetektors verglichen. Außerdem werden die photoleitenden und photogating-Fotodetektoren aus Nb2O5 mit den photoleitenden und photogating-Photodetektoren aus Titandioxid (TiO2) hinsichtlich der Reaktionsfähigkeit bei unterschiedlichen angelegten (Drain-Source-)Spannungen und Gate-Spannungen verglichen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Nb2O5-Fotodetektoren im Vergleich zu den TiO2-Fotodetektoren bessere Gütezahlen (FOMs) aufweisen.

Zweidimensionale Materialien können stark mit Licht interagieren. Eines dieser zweidimensionalen Materialien ist Graphen, eine Monoschicht aus Kohlenstoffatomen, die dicht in einem Kristallnetzwerk mit einem zweidimensionalen Wabenmuster angeordnet sind1. Das erste synthetische einschichtige Graphen wurde 2004 von Game und Novoselov hergestellt und charakterisiert. Für diese Erfindung erhielten Game und Novoselov 2010 den Nobelpreis für Physik2. Im Jahr 2013 wurden zweidimensionale Atomschichten aus Graphen und eine neue Klassifizierung im Nanomaßstab entwickelt Materialien, die in der Elektronik verwendet werden können, wurden vorgeschlagen3. Zu den aufregenden Eigenschaften von Graphen gehören eine hohe Ladungsmobilität, eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit und eine hohe Festigkeit1,4,5,6,7. Eine der Anwendungen von Graphen sind Fotodetektoren. Einschichtiges Graphen kann nur 2,3 % des eingestrahlten Lichts von 300 bis 2500 nm absorbieren und weist daher eine geringe Empfindlichkeit auf8. Die Reaktionsfähigkeit von Graphen-Fotodetektoren kann auf verschiedene Weise verbessert werden, einschließlich der Verwendung von Mikrokavitätsstrukturen9, Quantenpunkten10, Graphen-Nanoscheiben-Arrays11, Graphen-Wellenleitern3,12,13, Heterostrukturen und in verschiedene Materialien eingearbeitetem Graphen14,15. Bei den Graphen-Fotodetektoren mit Photogating-Effekt wurde über eine hohe Reaktionsfähigkeit berichtet16,17,18. Im Jahr 2010 wurde ein Graphendetektor hergestellt. Der Graphendetektor hatte eine Empfindlichkeit von 6,1 mA/W bei einer Wellenlänge von 1,55 μm19. Im Jahr 2012 wurde ein Graphendetektor mit Hohlraum vorgestellt. Der Detektor hatte eine Empfindlichkeit von 21 mA/W bei einer Wellenlänge von 850 nm9. Im Jahr 2015 wurde ein Graphen- und Bornitrat-Detektor mit optischem Wellenleiter vorgestellt; Dieser Detektor hatte eine Empfindlichkeit von 0,36 A/W20. Es wurden verschiedene Studien zu Graphen und Lichtabsorptionsprozessen durchgeführt, darunter der photovoltaische Effekt (Erzeugung eines Photostroms basierend auf der Elektron-Loch-Trennung unter dem elektrischen Feld an der Verbindung der Regionen mit unterschiedlichen Verunreinigungen) und der Photogating-Effekt (Lichtabsorption, die die Dichte des Graphens verändert). Ladungsträger, was wiederum zu einer Änderung der Leitfähigkeit des Bauteils in der Transistorstruktur führt), bolometrischer Effekt (Änderung der Leitfähigkeit infolge von Lichteinstrahlung und Temperaturerhöhung) und thermoelektrischer Effekt (Erzeugung einer Spannung gemäß dem Seebeck-Effekt aufgrund). zum Anstieg der Temperatur der Träger)21. Da die Reaktionsfähigkeit des Photogating-Effekts viel höher ist als die anderer Effekte, konzentriert sich die vorliegende Studie auf diesen Effekt. Beim Photogating-Effekt wird einer der Träger in der Absorberschicht gefangen. Mit anderen Worten: Die Lebensdauer der zusätzlichen Träger erhöht sich, da die Träger durch Defekte und Verunreinigungen voneinander getrennt sind. Wenn ein Typ der erzeugten Ladungsträger eingefangen wird, kann er ein zusätzliches elektrisches Feld wie etwa eine Gate-Spannung erzeugen, um die Kanalleitfähigkeit zu modulieren22,23,24,25,26. Solche Detektoren mit kleinen Abmessungen zeigen eine hohe Reaktionsfähigkeit und eine begrenzte Reaktionsgeschwindigkeit aufgrund der Verlängerung der Lebensdauer der zusätzlichen Träger27. Im Jahr 2012 wurde eine Graphenstruktur mit Quantenpunkten vorgeschlagen. In dieser Struktur wurde eine Empfindlichkeit von 107 A/W bei einer Wellenlänge von 532 nm10 erreicht. Im Jahr 2016 wurde die Struktur Graphen∕SiO2/leicht dotiertes Si für hohe Empfindlichkeit und Reaktionsfähigkeit verwendet. Der Betriebsbereich reichte vom sichtbaren bis zum nahen Infrarotbereich und die Empfindlichkeit betrug 1000 A/W bei einer Wellenlänge von 514 nm. In diesem Fotodetektor sammeln sich aufgrund der Defekte zwischen SiO2 und dem leicht dotierten Si Elektronen in den Fallen an und erzeugen eine negative Gate-Spannung, wodurch mehr Löcher induziert werden und somit eine hohe Verstärkung erhöht wird25. Als lichtabsorbierendes Material wurde 2018 schwarzer Phosphor (BP) mit einer direkten Bandlücke von 0,3 eV verwendet. Bei Wellenlängen von 655 nm, 785 nm und 980 nm wurden Empfindlichkeiten von 55,75 A/W, 1,82 A/W bzw. 0,66 A/W erhalten. Angeregte Elektronen werden in Fallenebenen gefangen und die Löcher passieren die Graphenschicht durch das interne Potential zwischen Graphen und SP. Die Lebensdauer von Trägern erhöht sich durch Fallen. Aufgrund der hohen Beweglichkeit von Graphen können Löcher im Stromkreis fließen, bevor sie sich wieder mit Elektronen verbinden. Die eingeführte Struktur funktioniert im sichtbaren bis nahen Infrarotbereich basierend auf dem Photogating-Effekt22. Im Jahr 2018 wurden Ti2O3-Nanopartikel mit einer Bandlücke von 0,09 eV zur Herstellung eines Detektors im mittleren Infrarotspektrum verwendet. Der Mechanismus ist derselbe wie zuvor. Dieser Detektor hatte eine Empfindlichkeit von 300 A/W bei einer Wellenlänge von 10 μm28. Im Jahr 2018 wurde der Photogating-Effekt in Graphen-Photodetektoren unter Verwendung von SiO2/n-dotiertem Si-Substrat untersucht. Bei Wellenlängen von 450 nm und 1064 nm betrugen die Empfindlichkeiten 500 A/W bzw. 4 A/W. Die Biegung des Bandes an der Si/SiO2-Grenzfläche trennt die Elektron-Loch-Paare. Unter dem elektrischen Feld bewegen sich die Elektronen in Richtung Si, während die Löcher an der Si/SiO2-Grenzfläche eingefangen werden; Die Ansammlung von Löchern an der Si/Si2-Grenzfläche wirkt wie ein positives Tor und erhöht das Fermi-Niveau von Graphen. Dadurch wird das Graphen zum n-Typ24. Im Jahr 2018 wurde ein Graphentransistor mit einem Indiumantimonid-Substrat (InSb) hergestellt. Es wurde eine Empfindlichkeit von 33,8 A/W mit einem Photogating-Effekt bei einer Wellenlänge von 4,6 μm erreicht29. In den letzten Jahren wurden verschiedene Photodetektoren mit TiO2- und Nb2O5-Absorberschichten im UVA-Bereich vorgestellt30. Im Jahr 2011 wurde ein Nb2O5-Nanogürtel vorgeschlagen, und bei 1 V wurde eine Empfindlichkeit von 15,2 A/W erreicht31. Im Jahr 2015 wurde ein Nb2O5-Nanoplättchen-Fotodetektor mit einer Empfindlichkeit von 24,7 A/W bei 1 V32 hergestellt. Im Jahr 2021 wurde ein MAPbI3-Nanodraht-Fotodetektor hergestellt und eine Empfindlichkeit von 20,56 A/W bei 1 V wurde gemeldet33. Im Jahr 2023 wurde ein Typ-II-Heteroübergang aus TiO2-NTs/Cs3Cu2I5-Nanopartikel-Hybridfasern mit einer Empfindlichkeit von 26,9 mA/W bei −1 V34 vorgestellt. Der Photogating-Effekt kann in drei verschiedenen Strukturen untersucht werden, nämlich Quantenpunkt-10, Bulk-23,24,25 und Dünnschichtstrukturen8. Quantenpunkte können in zweidimensionale Materialien integriert werden, um einige Vorteile zu erzielen. Als ersten Vorteil lösen Quantenpunkte mit größerer Dicke das Problem der geringen optischen Absorption zweidimensionaler Materialien. Der zweite Vorteil besteht darin, dass zweidimensionale Materialien eine hohe Trägermobilität aufweisen, und der dritte Vorteil besteht darin, dass einige zweidimensionale Materialien kein breites Absorptionsspektrum aufweisen, während Quantenpunkte diese begrenzte Reaktionsfähigkeit kompensieren. Für ein zweidimensionales Material wie Graphen gibt es keinen Mechanismus, um aus einem Photon mehrere Träger zu erzeugen. Durch die Verwendung von Quantenpunkten kann eine große Anzahl von Löchern im Schaltkreis fließen und dadurch der Gewinn erhöht werden. Dies liegt daran, dass die Lebensdauer der eingefangenen Elektronen lang und die Mobilität der Ladungsträger in Graphen hoch ist. Einer der Nachteile von Quantenpunkten ist ihre Toxizität. Darüber hinaus verändern die Abmessungen von Quantenpunkten die Bandbreite der verwendeten Materialien. In Massendetektoren sammeln sich aufgrund der Defekte zwischen SiO2 und leicht dotiertem Si Elektronen in den Fallen an und erzeugen eine negative Gate-Spannung, wodurch mehr Löcher induziert werden und somit die Verstärkung erhöht wird. Mit anderen Worten: Die Biegung des Bandes an der Si/SiO2-Grenzfläche trennt die Elektron-Loch-Paare. Unter dem internen Feld bewegen sich die Elektronen in Richtung des Si-Substrats, während die Löcher an der Si/SiO2-Grenzfläche eingefangen werden und die Ansammlung von Löchern an der Si/SiO2-Grenzfläche wie ein positives Gate wirkt und das Fermi-Niveau von Graphen erhöht. Dadurch wird das Graphen in n-Typ-Graphen umgewandelt. Ein hochdotiertes Siliziumsubstrat wird nicht verwendet, da es zusätzliche Ladungsträger mit einer deutlich kürzeren Lebensdauer aufweist. Die Anwendung der Volumenstruktur ist auf hochenergetische Materialien und Röntgenstrahlen23,24,25 beschränkt.

In der vorliegenden Studie werden Nb2O5- (3,7 eV) und TiO2-Absorberdünnfilme (3,2 eV) basierend auf dem Photogating-Mechanismus verwendet. Die Verwendung breitbandiger Materialien ist für den Fotodetektor von Vorteil, da er bei Raumtemperatur arbeitet. Durch die Übertragung von Graphen auf den fotoleitenden Detektor erhöht sich die Empfindlichkeit um etwa das Zwanzigfache. Der Einsatz einer Nb2O5-Absorberschicht ist eine neue Technik. Die Vorteile dieser Technik liegen in den geringen Kosten und der Einfachheit, Nb2O5 ohne spezielle Technologie und nur durch die Kombination einiger weniger Lösungen zu erhalten. In der vorliegenden Studie werden ein photoleitender Detektor mit einer Nb2O5-Absorberschicht und ein Graphen-Photodetektor mit derselben Nb2O5-Absorberschicht hinsichtlich der Empfindlichkeit und des prozentualen Verhältnisses von Photostrom zu Dunkelstrom verglichen. Die Empfindlichkeiten der Photogating- und photoleitenden Detektoren mit der Nb2O5-Absorberschicht betragen 12,69 A/W bzw. 0,65 A/W. Die prozentualen Verhältnisse von Photostrom zu Dunkelstrom der Photogating- und photoleitenden Detektoren mit einer Nb2O5-Absorberschicht betragen 2,84 % bzw. 0,16 % bei einer Drain-Source-Spannung von 1,5 V und einer Gate-Spannung von 1 V. Die Empfindlichkeiten des TiO2-basierten photoleitende und photogating-Detektoren, die unter den gleichen Laborbedingungen hergestellt werden, betragen 0,45 A/W bzw. 8,32 A/W. Die prozentualen Verhältnisse des Photostroms zum Dunkelstrom der photoleitenden TiO2- und Photogating-Detektoren betragen 0,16 % bzw. 2,84 %. Die Empfindlichkeit eines Photogating-Detektors mit einer Nb2O5-Absorberschicht ist etwa doppelt so hoch wie die eines TiO2-Photogating-Detektors.

Die Herstellungsschritte der photoleitenden und photogating-Photodetektoren mit einer Nb2O5-Absorberschicht sind in Abb. 1a–g dargestellt. Abbildung 1a zeigt einen Siliziumwafer vom p-Typ mit einer Dicke von 430 μm entlang der (100)-Richtung. Die Siliziumoberfläche wurde mit der RCA-Methode gereinigt. Wie in Abb. 1b gezeigt, wurde durch thermische Oxidation eine Oxidschicht mit einer Dicke von 300 nm auf Silizium gebildet. Die Dotierungsmenge betrug 11–13 Ω/cm und die Leckstromdichte der Oxidprobe betrug 0,205 A/m2. Wie in Abb. 1c gezeigt, wurden 30 nm Nb durch physikalische Gasphasenabscheidung mit Elektronenstrahlen auf der SiO2-Schicht abgeschieden. Dann wurde, wie in Abb. 1d gezeigt, ein anodischer Prozess verwendet, um eine 81 nm dicke Nb2O5-Absorberschicht auf SiO2 zu bilden. Für die Anodisierung von Nb wurde ein Elektrolyt bestehend aus 1200 ml Ethylenglykol C2H6O2, 800 ml H2O und 160 g (NH4) B5O6 verwendet. Die Nb-Schicht wurde mit dem Pluspol verbunden und die Platinelektrode, die sich in der Anodisierungslösung befand, wurde mit dem Minuspol verbunden, und der Anodisierungsprozess wurde durchgeführt. Wie in Abb. 1e, f gezeigt, wurden die interdigitalen Elektroden mithilfe des Lithographieverfahrens auf der Struktur strukturiert. Zu diesem Zweck wurde eine Glasmaske verwendet. Die Breite jeder Metallelektrode betrug 10 µm und die Breite des Transistors (w) betrug 5000 µm. Der Abstand zwischen zwei Metallelektroden (Länge) betrug 12,5 μm und die Anzahl der Abstände (n) betrug 249. Dementsprechend ist, wie in Gl. (1) beträgt die Gesamtbreite des Transistors 1245 mm.

Dabei ist WTotal die Gesamtbreite des Transistors, n die Anzahl der Abstände und w die Breite des Transistors.

(a–f) Schritte zur Herstellung eines fotoleitenden Fotodetektors mit einer Nb2O5-Absorberschicht und (a–g) Schritte zur Herstellung eines fotoleitenden Fotodetektors mit einer Nb2O5-Absorberschicht und Graphen.

Um den Photodetektor mit Photogating herzustellen, sind alle Schritte die gleichen wie beim photoleitenden Photodetektor; Erst am Ende wird Graphen, wie in Abb. 1g dargestellt, auf die endgültige fotoleitende Struktur übertragen. In dieser Struktur wurde Graphen verwendet, das ein Produkt der Graphene Company war und mithilfe der chemischen Gasphasenabscheidung (CVD) gezüchtet wurde35,36.

Abbildung 2 zeigt die Energiebänder für Graphen- und Nb2O5-Heterostrukturen. Durch die Platzierung der Graphen-Monoschicht auf der Nb2O5-Schicht wird aufgrund des Unterschieds im Fermi-Niveau der beiden Materialien eine eingebaute Potenzialbarriere zwischen den beiden Materialien geschaffen. Dann führt Lichtstrahlung im Bereich der Bandlücke der Nb2O5-Schicht zur Bildung von Elektron-Loch-Paaren innerhalb der Nb2O5-Schicht. Aufgrund der Potentialbarriere zwischen der Graphen- und der Nb2O5-Schicht bewegen sich die Elektronen in Richtung der Graphenschicht, die Löcher bleiben jedoch in der Nb2O5-Schicht gefangen. Das Einfangen der Löcher verändert das Fermi-Energieniveau von Graphen und den Widerstand des Graphenkanals und verursacht einen großen Photostrom22,23,24,25,26.

(a) Energieniveau von Graphen und Nb2O5, (b) Energieniveau von Graphen und Nb2O5, wenn sie aneinander gebunden sind, (c) UV-Lichtstrahlung und Erzeugung von Elektron-Loch-Paaren in der Nb2O5-Schicht und (d) Akkumulation von Löcher hinter der eingebauten Potentialbarriere an der Graphen/Nb2O5-Grenzfläche und die Änderung des Fermi-Energieniveaus von Graphen37.

Graphen wurde durch ein Nassübertragungsverfahren in sieben Schritten übertragen, einschließlich Ätzen der Kupferschicht, Substratvorbereitung und Graphenübertragung. Der Prozess beginnt mit der Entfernung des unerwünschten Graphens, das sich während des CVD-Prozesses unter der Kupferschicht befindet. Dieser Vorgang wurde in einer 20 %igen Salpetersäurelösung durchgeführt, in der das Substrat etwa fünf Minuten lang belassen wurde. Anschließend wurde das Kupfer fast zwei Stunden lang mit 0,2 M Eisen(III)-chlorid geätzt. Nachdem die Metallrückstände durch RCA entfernt wurden, war das Substrat für die Graphenübertragung bereit, aber zuvor muss das Substrat vorbereitet werden. Als nächstes wurde das Substrat etwa 15 Minuten lang in eine Piranha-Lösung bei 70 \(^\circ{\rm C}\) getaucht. Anschließend wurde Graphen auf das vorbereitete Substrat übertragen. Die folgenden zwei Schritte wurden durchgeführt, um die Haftung an der Grenzfläche zwischen Graphen und Substrat zu erhöhen und Poly(methylmethacrylat) (PMMA) zu entfernen. Das Substrat wurde mit einer Heizung etwa fünf Minuten lang mäßig auf eine Temperatur von 80 \(^\circ{\rm C}\) erhitzt, bevor es einer höheren Temperatur von 130 \(^\circ{\rm C}\) ausgesetzt wurde. für ca. 20 Min. Anschließend ließ man das Substrat einige Minuten bei Raumtemperatur abkühlen. Der Prozess endete mit der Entfernung von PMMA über eine N-Methyl-2-pyrrolidon (NMP)-Lösung bei einer Temperatur von 70 \(^\circ{\rm C}\) für etwa 15 Minuten.

Abbildung 3 zeigt die Rasterelektronenmikroskopbilder (REM, Tescan VEGA3) des Graphens, das auf die SiO2-Schicht und die ineinandergreifenden Elektroden auf die Nb2O5-Schicht übertragen wurde. Abbildung 3a zeigt die Körner der Monoschicht-Graphen, die eine Stunde lang bei 550 °C und einem Vakuum von 4,4 \(\times) 10–6 Torr getempert wurden, um die PMMA-Rückstände zu entfernen. Der durchschnittliche Graphenschichtwiderstand wurde mit der Van-der-Pauw-Methode ermittelt. Es wurde ein Halbleitermessgerät HP4450 bei einer Spannung von 1 V und einem Strom von 1 μ\(\mathrm{A}\) verwendet. Der Schichtwiderstand der Graphenschicht betrug etwa 1600 \(\pm 10\%\) Ohm/Quadrat. Ein Beispiel für das Interdigit-Elektrodendesign ist in Abb. 3b dargestellt. Der Kontaktwiderstand von Graphen- und Nickelelektroden wurde mithilfe der Übertragungsleitungsmethode (TLM) mit etwa 640 Ω μm ± 15 % gemessen. Glücklicherweise war der Kontaktwiderstand so gut, dass er den Herstellungsprozess des Fotodetektors nicht beeinträchtigte, obwohl ein niedrigerer Kontaktwiderstand besser wäre.

(a) Körner aus einschichtigem Graphen und (b) eine Probe eines interdigitalen Elektrodendesigns auf der Nb2O5-Absorberschicht.

Wenn beim Photogating-Effekt eine Art der erzeugten Ladungsträger eingefangen wird, kann diese ein zusätzliches elektrisches Feld in Form der Gate-Spannung erzeugen, um die Kanalleitfähigkeit zu modulieren. Fotodetektoren mit kleinen Abmessungen zeigen eine hohe Empfindlichkeit. Beim photovoltaischen Effekt werden die erzeugten Elektron-Loch-Paare in Pikosekunden rekombiniert. Allerdings ist die Ladungsträgerlebensdauer beim Photogating-Effekt länger als die beim Photovoltaik-Effekt, nämlich 1 s im Vergleich zu etwa 20 ms27. Der Gewinn kann mithilfe von Gl. ermittelt werden. (2). Aus dieser Gleichung lässt sich schließen, dass die Reaktionsfähigkeit und der Photostrom mit zunehmender Einfangzeit und abnehmendem Zeitintervall, in dem Ladungsträger den Graphenkanal passieren (Transitzeit), zunehmen. Wenn der Graphenkanal kürzer wird, nehmen der Photostrom und die Reaktionsfähigkeit zu, während die effektive Fläche des Photodetektors abnimmt38.

Die Zeit, in der freie Ladungsträger von Drain zu Source wandern, wird mit „τtr“ bezeichnet, und das Zeitintervall, in dem diese freien Ladungsträger in der Nähe von Nanopartikeln gefangen werden, wird mit „τlife“ bezeichnet.

Wenn die Lebensdauer eines zusätzlichen Elektrons länger als die Transitzeit ist (τlife > τtr), erreicht das zusätzliche Elektron die Anode und ein weiteres Elektron gelangt sofort in den Fotoleiter, um die Ladungsneutralität aufrechtzuerhalten, und wandert zum Anodenanschluss. Dieser Vorgang wird wiederholt, bis das zusätzliche Elektron wieder mit einem Loch kombiniert wird. Dieser Prozess dauert im Durchschnitt τlife und der Gewinn ist größer als eins. Wenn jedoch τlife < τtr, rekombiniert das zusätzliche Elektron mit einem Loch, bevor der Transit abgeschlossen ist. Um einen Gewinn von mehr als eins zu erreichen, ohne dass mehrere Elektron-Loch-Paare erzeugt werden, ist eine höhere Leistung durch einen externen Schaltkreis erforderlich. Gleichung (3) berechnet den Photostrom des Photodetektors39.

Dabei ist \({C}_{ox}\) der dielektrische Kondensator pro Flächeneinheit und W und L die Breite bzw. Länge des Graphenkanals.

Aus Gl. (4) ist der Netto-Photostrom unabhängig von der Dicke des SiO2-Films, während er wie folgt von der Ladungsträgerlaufzeit und der Menge der photoinduzierten elektrischen Ladung abhängt:

Dabei ist ∆Q die Menge der photoinduzierten elektrischen Ladung und τtr die Laufzeit des Trägers im Graphenkanal.

Wie in Gl. gezeigt. (5) Die in diesem Detektortyp erzeugte Strommenge hängt von α und d ab, wie unten angegeben40.

Dabei ist \(\alpha\) der Absorptionskoeffizient und d die Dicke der Absorberschicht.

Zur Stromerhöhung werden Materialien mit hohem Absorptionskoeffizienten verwendet, da nach Gl. (6) Mit zunehmendem d nimmt Cox ab. Darüber hinaus gilt nach Gl. (7) und (8) verringert die Verringerung von Cox gm und infolgedessen nimmt der Photostrom ab. Daher sollte die Absorberschichtdicke d einen optimalen Grenzwert haben, der in der vorliegenden Studie 81 nm (Nb2O5) beträgt. Der Oxid-zu-Metall-Umwandlungsfaktor von Nb beträgt 2,7, was bedeutet, dass für 1 nm Nb 2,7 nm Nb2O5 gebildet werden.

Dabei ist \(\varepsilon\) die Dielektrizitätskonstante und \({\varepsilon }_{0}\) die Vakuumpermittivität.

wobei \({g}_{m}\) die wie folgt gegebene Transkonduktanz ist:

wobei VGS die Steuerspannung ist.

Einige der Gütezahlen (FOMs) der Fotodetektoren werden optisch ausgewertet. Die optischen Eigenschaften wurden bis auf einige Sonderfälle mit einem Helium-Cadmium-Laser bei einer Leistung von 1 μW, einer Wellenlänge von 325 nm und einer Chopper-Frequenz von 3 kHz ermittelt. Wie in Abb. 4 dargestellt, trifft das Laserlicht zur optischen Charakterisierung auf einen Spiegel und das reflektierte Licht erreicht einen Chopper und dann den Fotodetektor. Der Ausgang des Detektors ist mit dem Eingang eines Lock-In-Verstärkers verbunden.

Optischer Charakterisierungsaufbau. Der Aufbau umfasst einen Laser, einen Strahlteiler, einen Lock-In-Verstärker (Bentham) und einen optischen Chopper.

Die Verwendung dieses optischen Aufbaus hat zwei Vorteile. Der erste Vorteil besteht darin, dass das Umgebungsrauschen eliminiert wird, und der zweite Vorteil besteht darin, dass mit diesem Aufbau selbst geringste Photoströme beobachtet werden können. Die photoleitenden und photogating-Photodetektoren mit Nb2O5- und TiO2-Absorberschichten wurden optisch untersucht.

Wie in Tabelle 1 gezeigt, wurde die Nb-Schicht mit einem Elektronenstrahlgerät auf dem Siliziumsubstrat abgeschieden und die Nb2O5-Schicht wurde durch Anodisieren mit einem Oxid-zu-Metall-Umwandlungsfaktor von 2,7 erhalten. Die Ti-Schicht wurde durch Sputtern auf dem Siliziumsubstrat abgeschieden und TiO2 wurde durch das Oxidationsverfahren mit einem Oxid-zu-Metall-Umwandlungsfaktor von 1,7 erhalten.

Abbildung 5a zeigt das Profil des photoleitenden Nb2O5-Detektors und Abb. 5b zeigt das Profil des photoleitenden Nb2O5-Detektors. Wie in Abb. 5 dargestellt, wird die Drain-Source-Spannung (VDS) an beide Enden der Graphenschicht angelegt, und die Steuerspannung (VGS) wird über ohmsche Kontakte an das Siliziumsubstrat angelegt.

(a) Profil des fotoleitenden Nb2O5-Fotodetektors und (b) Profil des fotoleitenden Nb2O5-Fotodetektors und die Verbindungspunkte von VDS und VGS.

Abbildung 6a zeigt den Photostrom in μA als Funktion der Drain-Source-Spannung für die photoleitenden und photogating-Photodetektoren mit der Nb2O5-Absorberschicht. Der Fotostrom des fotoleitenden Fotodetektors steigt von 0,533 auf 0,64 μA. Durch die Zugabe von Graphen erhöht sich der Photostrom von 7,87 auf 12,69 μA im Drain-Source-Spannungsbereich von 0,1–1,5 V. Mit zunehmendem Wert von VDS wandern Elektronen aufgrund der Verringerung der Potentialbarriere leichter von Nb2O5 zu Graphen. und infolgedessen ist der Anstieg des Iph größer. Mit anderen Worten, nach Gl. (6) Mit der Erhöhung von VDS steigt gm und infolgedessen Iph. Abbildung 6b zeigt das prozentuale Verhältnis von Photostrom zu Dunkelstrom für die photoleitenden und photogating-Photodetektoren mit der Nb2O5-Absorberschicht. Mit zunehmender Drain-Source-Spannung nimmt das Verhältnis von Photostrom zu Dunkelstrom ab und der niedrigste Wert wird bei der Drain-Source-Spannung mit der höchsten Empfindlichkeit, also bei 1,5 V, beobachtet. Nicht nur die Empfindlichkeit ändert sich geringfügig mit der Spannungserhöhung, Aber auch eine weitere Erhöhung des VDS lässt viel Strom durch den Fotodetektor fließen und das Gerät erwärmt sich. Dies wirkt sich negativ auf die Leistung des Gerätes aus. Wie in Abb. 6a gezeigt, steht der Wert von Iph in direktem Zusammenhang mit VDS, während Idark nicht nur von VDS, sondern auch von anderen Faktoren wie der Trägerlebensdauer abhängt. Daher ergibt sich der Trend der Iph/Idark-Kurve aus den Unterschieden zwischen den Steigungen von Iph und Idark. Bei den photoleitenden und photogating-Detektoren betragen die prozentualen Verhältnisse von Photostrom zu Dunkelstrom 0,16 % bzw. 2,84 % bei einer Wellenlänge von 325 nm, einem VDS von 1,5 V und einer Leistung von 1 μW.

(a) Änderungen des Photostroms in Mikroampere für die photoleitenden und photogating-Detektoren mit Nb2O5-Absorberschicht gegenüber der Drain-Source-Spannung und (b) Änderungen im prozentualen Verhältnis von Photostrom zu Dunkelstrom der photoleitenden und photogating-Detektoren mit Nb2O5-Absorberschicht gegenüber Drain- Quellenspannung für P = 1 μW und VGS = 1 V.

Es wird ein einfaches Kriterium definiert, um den Dunkelstrom von photoleitenden und photogating-Detektoren bei unterschiedlichen Drain-Source-Spannungen zu vergleichen. In Abb. 7 werden die Verhältnisse des Dunkelstroms der Detektoren verglichen. Diese Abbildung zeigt das Verhältnis des Dunkelstroms des fotoleitenden Fotodetektors mit Nb2O5 zu dem mit TiO2 und das Verhältnis des Dunkelstroms des fotoleitenden Fotodetektors mit Nb2O5 zu dem mit TiO2 gegenüber der Drain-Source-Spannung. Im Allgemeinen ist das Verhältnis des Dunkelstroms mit der Nb2O5-Absorberschicht zum Dunkelstrom mit der TiO2-Absorberschicht beim Photogating-Detektor höher als beim photoleitenden Detektor. Die Dunkelströme der Photogating- und photoleitfähigen Detektoren mit der Nb2O5-Schicht sind besser als die der Photogating- und photoleitfähigen Detektoren mit der TiO2-Absorberschicht.

Verhältnis des Dunkelstroms des fotoleitenden Fotodetektors mit Nb2O5 zu dem mit TiO2 und das Verhältnis des Dunkelstroms des fotoleitenden Fotodetektors mit Nb2O5 zu dem mit TiO2, versus Drain-Source-Spannung für P = 1 μW und VGS = 1 V.

Abbildung 8 zeigt die Empfindlichkeit von vier photoleitenden und photogating-Fotodetektoren mit Nb2O5- und TiO2-Absorberschichten im VDS-Bereich von 0,1–1,5 V. Der photogating-Photodetektor mit der Nb2O5-Absorberschicht weist bei allen VDS-Spannungen die höchste Empfindlichkeit auf. Darüber hinaus ändern sich die Empfindlichkeiten der photoleitenden Detektoren im Gegensatz zu den beiden Photodetektoren mit Photogating nicht wesentlich mit zunehmendem VDS. Aufgrund des Photogating-Effekts der beiden Detektoren (dh Detektoren mit Nb2O5/Gr- und TiO2/Gr-Schichten) erhöht sich jedoch die Ladungsträgereinfangzeit und damit die Empfindlichkeit und der Photostrom. Die Reaktionsfähigkeit hängt auch vom anfänglichen Energieniveau der Graphenschicht ab. Bei einer Drain-Source-Spannung von 1,5 V beträgt das Verhältnis der Ansprechempfindlichkeit des Nb2O5/Gr-Fotodetektors zu der des TiO2/Gr-Fotodetektors etwa 2, und das Verhältnis der Ansprechempfindlichkeit des Nb2O5-Fotodetektors zu der des TiO2-Fotodetektors beträgt etwa 2 1.5. Dies weist auf die bessere Leistung der Nb2O5-Absorberschicht im Vergleich zur TiO2-Absorberschicht hin, obwohl beide Schichten unter den gleichen Laborbedingungen hergestellt wurden.

Ansprechverhalten der Photogating- und photoleitenden Photodetektoren (linke Achse). Das Verhältnis der Ansprechempfindlichkeit des Nb2O5-Fotodetektors mit Photogating zu der des TiO2-Fotodetektors mit Photogating und das Verhältnis der Ansprechempfindlichkeit des fotoleitenden Fotodetektors aus Nb2O5 zu der des fotoleitenden Fotodetektors TiO2 (rechte Achse) bei verschiedenen Drain-Source-Spannungen, P = 1 μW und VGS = 1 V.

Wie in Tabelle 2 gezeigt, sind die Empfindlichkeiten der Photogating-Detektoren besser als die der photoleitenden Detektoren. Die Empfindlichkeiten beider Detektortypen mit der Nb2O5-Absorberschicht sind höher als die mit der TiO2-Absorberschicht. Der Wert von \({I}_{dark}^{{Nb}_{2}{O}_{5}/Gr}/{I}_{dark}^{Ti{O}_{2}/ Gr}\) der Photogating-Detektoren ist größer als der Wert von \({I}_{dark}^{{Nb}_{2}{O}_{5}}/{I}_{dark}^{ Ti{O}_{2}}\) des fotoleitenden Detektors.

Abbildung 9a zeigt die Reaktionsfähigkeit in Bezug auf die Gate-Spannung. Wie in dieser Abbildung gezeigt, ändern sich die Empfindlichkeiten der fotoleitenden Detektoren mit der Erhöhung des VGS nicht wesentlich. Bei den Photogating-Detektoren erhöht sich jedoch aufgrund des Photogating-Effekts die Trägereinfangzeit, sodass die Empfindlichkeit und der Photostrom steigen. Die Reaktionsfähigkeit hängt auch vom anfänglichen Energieniveau der Graphenschicht ab. Daher ist erwiesen, dass die Zunahme der Reaktionsfähigkeit des Fotodetektors mit steigendem VGS auf die Übertragung der Graphenschicht auf die TiO2-Absorberschicht zurückzuführen ist.

(a) Ansprechverhalten der photoleitenden und photogating-Detektoren gegenüber der Gate-Spannung bei P = 1 μW und VDS = 0,5 V und (b) blaue Kurve (Dirac-Punkt), rote Kurve (Ansprechverhalten) und grüne Kurve (gm = ∂Id/ ∂Vg).

Wie in Abb. 9a gezeigt, nimmt die Reaktionsfähigkeit der Photogating-Detektoren mit zunehmender Gate-Spannung zu. Die Dirac-Punkte der Nb2O5- und TiO2-Photogating-Detektoren liegen bei 20 V bzw. 15 V. An den Dirac-Punkten weisen nicht nur die Photogating-Detektoren die höchste Empfindlichkeit auf, sondern auch die Kurven haben die größte Steigung um die Dirac-Punkte herum. Wie in den Kurven der Photogating-Detektoren gezeigt, weist ein weiterer Anstieg der Gate-Spannung einen Abwärtstrend auf und die Reaktionsfähigkeit nimmt ab. Der Grund hierfür ist in Abb. 9b dargestellt. In dieser Abbildung zeigt die blaue Kurve den Photostrom in Abhängigkeit von der Gate-Spannung im Graphenmaterial. Das Minimum der blauen Kurve ist der Dirac-Punkt. Die Dirac-Spannung entspricht dem Fall, dass die Anzahl der Elektronen und Löcher gleich ist. Wie aus der blauen Kurve hervorgeht, ist der Photostrom bei Gate-Spannungen, die weit vom Dirac-Punkt entfernt sind, unabhängig von der Gate-Spannung, sodass eine Erhöhung oder Verringerung der Gate-Spannung den Wert des Photostroms nicht beeinflusst. Wie gezeigt, liegt der steilste Anstieg der Kurve irgendwo in der Nähe des Dirac-Punktes. Aus Gl. (8) und der grünen Kurve liegt diese Steigung bei gm = ∂Id/∂Vg, und das Maximum der Responsivitätskurve, das rot dargestellt ist, liegt an den Punkten mit der höchsten Steigung.

Wie in Abb. 10 dargestellt, wurde die Bandbreite der photoleitenden und photogating-Photodetektoren mit einer Nb2O5-Absorberschicht als FOM berechnet. Mit zunehmender Frequenz nimmt das Frequenzgangkriterium nicht wesentlich ab. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass beide Fotodetektoren in Anwendungen wie der UV-Bildgebung und vielen modernen Systemen mit einem Frequenzbedarf von bis zu 5 kHz eingesetzt werden können.

Frequenzgangkriterien der photoleitenden und photogating-Detektoren mit Nb2O5-Absorberschicht bei P = 1 μW, VDS = 0,5 V und VGS = 1 V.

Tabelle 3 vergleicht die photoleitenden/photogating-Detektoren mit den Nb2O5/TiO2-Absorberschichten (in dieser Studie vorgestellt) und frühere Detektoren, die in anderen Artikeln mit den gleichen Absorberschichtmaterialien vorgestellt wurden. Laut dieser Tabelle weisen Detektoren mit der Nb2O5-Absorberschicht ein besseres Ansprechverhalten auf als solche mit der TiO2-Absorberschicht. Die Nb2O5-Nanogürtel- und Nb2O5-Nanoplättchen-Detektoren reagieren besser als die photoleitenden Nb2O5-Dünnschicht- und Photogating-Detektoren. Der Nb2O5-Nanoplatten-Detektor weist eine bessere Empfindlichkeit auf als der Nb2O5-Nanogürtel, die Herstellung des Dünnschicht-Nb2O5-Detektors ist jedoch einfacher als bei Nb2O5-Nanoplatten- und Nanogürtel-Detektoren.

Eine Nb2O5-Absorberschicht wurde zur Herstellung eines Graphendetektors basierend auf dem Photogating-Effekt verwendet. Darüber hinaus wurde diese Absorberschicht durch einen Eloxalprozess aus einer dünnen Nb-Schicht hergestellt. Diese Prozesse wurden in der Literatur nicht durchgeführt und in dieser Studie erstmals vorgestellt. Es ist erwähnenswert, dass im Vergleich zu Fotodetektoren mit einer TiO2-Absorberschicht die Fotodetektoren mit einer Nb2O5-Absorberschicht hinsichtlich der Kosten, der Einfachheit des Herstellungsprozesses und des hohen Wertes der Reaktionsfähigkeit eine bessere Leistung erbrachten. Bei 325-nm-Laserstrahlung, 1 μW Leistung, einer Drain-Source-Spannung von 1,5 V und einer Gate-Spannung von 1 V betrugen die Empfindlichkeiten der photoleitenden und photogating-Detektoren mit der TiO2-Absorberschicht 0,45 A/W und 8,32 A /W, während die Empfindlichkeiten der photoleitenden und photogating-Detektoren mit der Nb2O5-Absorberschicht 0,65 A/W bzw. 12,69 A/W betrugen. Darüber hinaus betrugen die prozentualen Verhältnisse des Photostroms zum Dunkelstrom des photoleitenden Detektors und des Photogating-Detektors mit der TiO2-Absorberschicht 0,003 % bzw. 0,111 %. Allerdings betrugen die prozentualen Verhältnisse von Photostrom zu Dunkelstrom der photoleitenden und photogating-Detektoren mit der TiO2-Absorberschicht 0,16 % bzw. 2,84 %. Daher waren die Empfindlichkeiten und die prozentualen Verhältnisse des Photostroms zum Dunkelstrom bei Detektoren mit der Nb2O5-Absorberschicht besser als bei den Detektoren mit der TiO2-Absorberschicht.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim jeweiligen Autor erhältlich.

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Die Autoren danken dem Bildungsministerium.

Technische Universität Malek Ashtar, Teheran, Iran

Zahra Sadeghi Neisiani, Mahdi Khaje und Abdollah Eslami Majd

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Die Grundidee wurde von MK und ZSN vorgeschlagen; Konzeptualisierung des Manuskripts: MK Untersuchung, Methodik und Validierung: MK, ZSN und AEM; Verfassen des Hauptmanuskripts: ZSN; Überprüfung und Bearbeitung: AEM und MK

Korrespondenz mit Abdollah Eslami Majd.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Sadeghi Neisiani, Z., Khaje, M. & Eslami Majd, A. Experimenteller Vergleich zwischen Nb2O5- und TiO2-basierten photoleitenden und photogating GFET-UV-Detektoren. Sci Rep 13, 7104 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-34295-5

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Eingegangen: 12. März 2023

Angenommen: 27. April 2023

Veröffentlicht: 02. Mai 2023

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

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