Nb2O5 간의 실험적 비교

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 7104(2023) 이 기사 인용

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본 연구에서는 오산화니오븀(Nb2O5) 흡수층을 갖는 광전도성 광검출기에 그래핀을 추가하고 광게이팅 효과를 활용함으로써 광검출기의 응답성을 크게 향상시켰습니다. 이 광검출기에서는 Nb2O5층이 빛을 감지하고, 그래핀은 포토게이팅 효과를 바탕으로 응답성을 향상시킨다. Nb2O5 광게이팅 광검출기의 광전류 및 광전류 대 암전류의 백분율 비율을 해당 광전도성 광검출기의 광전류와 비교합니다. 또한, Nb2O5 광전도성 및 광게이팅 광검출기는 다양한 인가(드레인-소스) 전압 및 게이트 전압에서의 응답성 측면에서 이산화티타늄(TiO2) 광전도성 및 광게이팅 광검출기와 비교됩니다. 결과는 Nb2O5 광검출기가 TiO2 광검출기에 비해 성능 지수(FOM)가 더 우수하다는 것을 보여줍니다.

2차원 물질은 빛과 강하게 상호작용할 수 있습니다. 이러한 2차원 물질 중 하나는 그래핀이며, 이는 2차원 벌집 패턴을 갖는 결정 네트워크에 촘촘하게 배열된 탄소 원자의 단층입니다1. 최초의 합성 단일층 그래핀은 2004년 Game과 Novoselov에 의해 만들어지고 특성화되었습니다. 이 발명으로 Game과 Novoselov는 20102년에 노벨 물리학상을 받았습니다. 2013년에는 그래핀의 2차원 원자 시트와 나노 규모의 새로운 분류가 이루어졌습니다. 전자공학에 사용될 수 있는 물질이 제안되었다3. 그래핀의 흥미로운 특성에는 높은 전하 이동도, 우수한 열 전도성 및 높은 강도가 포함됩니다1,4,5,6,7. 그래핀의 응용 분야 중 하나는 광검출기입니다. 단일층 그래핀은 300~2500nm의 조사광 중 2.3%만 흡수할 수 있어 응답성이 낮습니다8. 그래핀 광검출기의 응답성은 미세공동 구조9, 양자점10, 그래핀 나노 디스크 어레이11, 그래핀 도파관3,12,13, 헤테로구조 및 다양한 재료와 통합된 그래핀의 사용을 포함하여 다양한 방법으로 향상될 수 있습니다. 포토게이팅 효과가 있는 그래핀 광검출기에서는 높은 응답성이 보고되었습니다. 2010년에는 그래핀 검출기가 만들어졌다. 그래핀 검출기는 1.55μm의 파장에서 6.1mA/W의 응답성을 보였습니다. 2012년에는 공동이 있는 그래핀 검출기가 발표되었습니다. 검출기는 850nm9의 파장에서 21mA/W의 응답성을 가졌습니다. 2015년에는 광학 도파관을 갖춘 그래핀 및 질산붕소 검출기가 발표되었습니다. 이 검출기는 0.36A/W20의 응답성을 가졌습니다. 그래핀과 광흡수 과정에 대해서는 광전 효과(불순물이 다른 영역의 접합부에서 전기장 하에서 전자-정공 분리를 기반으로 광전류를 발생시키는 현상), 포토게이팅 효과(광 흡수로 인해 그래핀의 밀도가 변화하는 현상) 등 다양한 연구가 진행되어 왔다. 캐리어는 트랜지스터 구조 구성 요소의 전도성 변화로 이어짐), 볼로메트릭 효과(빛 복사 및 온도 증가로 인한 전도성 변화), 열전 효과(제벡 효과에 따라 전압 생성) 캐리어의 온도 증가)21. 포토게이팅 효과의 반응성은 다른 효과의 반응성보다 훨씬 높기 때문에 본 연구에서는 이 효과에 중점을 둡니다. 포토게이팅 효과에서는 캐리어 중 하나가 흡수층에 갇히게 됩니다. 즉, 결함이나 불순물에 의해 캐리어가 분리됨에 따라 추가 캐리어의 수명이 증가하게 된다. 생성된 캐리어 중 한 가지 유형이 트랩되면 게이트 전압과 같은 추가 전기장을 생성하여 채널 전도도를 변조할 수 있습니다. 작은 크기를 가진 이러한 검출기는 추가 캐리어의 수명 연장으로 인해 높은 응답성과 제한된 응답 속도를 나타냅니다. 2012년에는 양자점을 이용한 그래핀 구조가 제안됐다. 이 구조에서는 532 nm10 파장에서 107 A/W의 응답성을 얻었습니다. 2016년에는 그래핀∕SiO2/저농도로 도핑된 Si 구조를 사용해 고감도와 응답성을 구현했다. 작동 범위는 가시광선부터 근적외선 영역까지였으며, 응답성은 파장 514nm에서 1000A/W였습니다. 이 광검출기에서는 SiO2와 저농도로 도핑된 Si 사이의 결함으로 인해 전자가 트랩에 축적되어 음의 게이트 전압을 생성하여 더 많은 정공을 유도하여 높은 이득을 증가시킵니다. 2018년에는 직접 밴드갭이 0.3eV인 흑린(BP)이 광흡수 소재로 사용됐다. 655 nm, 785 nm 및 980 nm의 파장에서 각각 55.75 A/W, 1.82 A/W 및 0.66 A/W의 응답성을 얻었습니다. 여기된 전자는 트랩 레벨에 갇히고, 정공은 그래핀과 BP 사이의 내부 전위에 의해 그래핀 층을 통과합니다. 트랩을 사용하면 캐리어의 수명이 늘어납니다. 그래핀의 높은 이동성으로 인해 전자와 재결합하기 전에 정공이 회로에 흐를 수 있습니다. 도입된 구조는 포토게이팅 효과를 기반으로 가시광선에서 근적외선 영역까지 작동합니다. 2018년에는 밴드갭이 0.09eV인 Ti2O3 나노입자를 사용하여 중적외선 스펙트럼 검출기를 제작했습니다. 메커니즘은 이전과 동일합니다. 이 검출기는 10μm28의 파장에 대해 300A/W의 응답성을 가졌습니다. 2018년에는 SiO2/n 도핑된 Si 기판을 사용하여 그래핀 광검출기의 포토게이팅 효과를 조사했습니다. 450nm와 1064nm의 파장에서 응답성은 각각 500A/W와 4A/W였습니다. Si/SiO2 경계면에서 밴드가 구부러지면 전자-정공 쌍이 분리됩니다. 전기장 하에서 전자는 Si 쪽으로 이동하고 정공은 Si/SiO2 인터페이스에 갇혀 있습니다. Si/Si2 경계면에 정공이 축적되면 포지티브 게이트처럼 작용하여 그래핀의 페르미 준위가 증가합니다. 이로 인해 그래핀은 n-type24가 됩니다. 2018년에는 안티몬화인듐(InSb) 기판을 사용해 그래핀 트랜지스터를 제작했다. 4.6μm 파장에서 포토게이팅 효과를 갖는 33.8A/W의 응답성이 달성되었습니다29. 최근 몇 년 동안 UVA 영역에 TiO2 및 Nb2O5 흡수층을 갖춘 다양한 광검출기가 제시되었습니다. 2011년에는 Nb2O5 나노벨트가 제안되었으며, 1V에서 15.2A/W의 응답성을 얻었습니다. 2015년에는 1V32에서 24.7A/W의 응답성을 갖는 Nb2O5 나노플레이트 광검출기가 제작되었습니다. 2021년에는 MAPbI3 나노와이어 광검출기가 제작되었으며, 1V에서 20.56A/W의 응답성이 보고되었습니다33. 2023년에는 TiO2 NTs/Cs3Cu2I5 나노입자 하이브리드 섬유의 유형 II 이종접합이 -1 V34에서 26.9mA/W의 응답성을 갖는 것으로 나타났습니다. 포토게이팅 효과는 세 가지 구조, 즉 양자점, 벌크23,24,25 및 박막 구조에서 조사할 수 있습니다. 양자점은 2차원 재료에 통합되어 몇 가지 이점을 얻을 수 있습니다. 첫 번째 장점으로, 양자점의 두께가 두꺼워지면 2차원 물질의 낮은 광흡수 문제를 해결할 수 있습니다. 두 번째 장점은 2차원 물질이 높은 캐리어 이동성을 갖는다는 것이고, 세 번째 장점은 일부 2차원 물질은 넓은 흡수 스펙트럼을 갖지 않는 반면 양자점은 이러한 제한된 응답성을 보상한다는 것입니다. 그래핀과 같은 2차원 물질의 경우 하나의 광자에서 다중 캐리어를 생성하는 메커니즘이 없습니다. 퀀텀닷을 사용하면 회로에 많은 양의 정공이 흐를 수 있어 이득이 증가한다. 이는 포획된 전자의 수명이 길고, 그래핀 내 캐리어의 이동도가 높기 때문이다. 퀀텀닷의 단점 중 하나는 독성입니다. 더욱이, 양자점의 크기는 사용되는 재료의 대역폭을 변경합니다. 벌크 검출기에서는 SiO2와 약하게 도핑된 Si 사이의 결함으로 인해 전자가 트랩에 축적되어 음의 게이트 전압을 생성하여 더 많은 정공을 유도하여 이득을 증가시킵니다. 즉, Si/SiO2 경계면에서 밴드가 휘어지면 전자-정공 쌍이 분리됩니다. 내부 전계에서 전자는 Si 기판 쪽으로 이동하고 정공은 Si/SiO2 인터페이스에 갇혀 있으며 Si/SiO2 인터페이스에 축적된 정공은 포지티브 게이트처럼 작용하여 그래핀의 페르미 준위를 증가시킵니다. 그 결과, 그래핀은 n형 그래핀으로 변환됩니다. 고도로 도핑된 실리콘 기판은 수명이 훨씬 짧은 추가 캐리어가 있기 때문에 사용되지 않습니다. 벌크 구조의 적용은 고에너지 재료 및 엑스레이로 제한됩니다.