Infrarot-Photodetektor basierend auf dem photothermionischen Effekt von Graphen-Nanowänden/Silizium-Heteroübergängen

Aufgrund des langsamen Relaxationsprozesses durch die schwache akustische Phononinteraktion könnte der photothermionische Effekt in Graphen viel ausgeprägter sein als in dem Metallfilm, sodass ein Graphen-Heteroübergangs-Photodetektor basierend auf dem photothermionischen Effekt vielversprechend für Infrarotbildanwendungen ist. Allerdings stellt die Absorptionsrate von 2,3 % des Graphenfilms eine gravierende Einschränkung dar. Hier wurden in situ gewachsene Graphen-Nanowände (GNWs) auf dem Siliziumsubstrat, das mit Au-Nanopartikeln verbunden ist, integriert. Aufgrund der starken Infrarotabsorption und des Hot-Carrier-Relaxtionsprozesses in GNWs hat der so hergestellte GNWs/Au/Silizium-Heteroübergang ein Verhältnis von Licht zu Dunkel von 2 × 10^4, eine Empfindlichkeit von 138 mA/W und einen linearen Dynamikbereich von 89,7 dB, mit einer spezifischen Detektivität von 1,4 × 10^{10} und 1,6 × 10^{9} cm Hz^{1/2}/W, basierend auf berechnetem und gemessenem Rauschen bei 1550 nm bei Raumtemperatur, und hat die beste Leistung unter siliziumkompatiblen Infrarot-Photodetektoren ohne komplizierte Wellenleiterstrukturen. Offensichtliche Photoantworten werden auch im mittleren Infrarot- und Terahertzbereich detektiert. Es wurde festgestellt, dass das interface Au-Teilchen die Barrierenhöhe reduziert und die Absorption erhöht. Die in diesem Bericht vorgestellte Gerätestruktur könnte mit dem Halbleiterprozess kompatibel sein, sodass Infrarot-Photodetektoren mit hoher Integrationsdichte und niedrigen Kosten potenziell realisiert werden könnten.