Fowler-Nordheim tunneling mechanism for performance improvement in graphene 2D/GaN 3D heterojunction ultraviolet photodetector

光电流 材料科学 异质结 光电探测器 光电子学 量子隧道 石墨烯 量子效率 响应度 紫外线 光电导性 纳米技术
作者
Qing Liu,Weidong Song,Xingfu Wang,Zixuan Zhao,Can Zhou,Kai Chen,Shao-bing Zhan,Fangliang Gao,Shuti Li
出处
期刊:Carbon [Elsevier BV]
卷期号:201: 1061-1067 被引量:36
标识
DOI:10.1016/j.carbon.2022.10.005
摘要

The Fowler-Nordheim tunneling (FNT) is an important tunneling mechanism and an efficient route to improve the photoresponse of a photodetector. Herein, we report the quantum mechanical FNT mechanism based on graphene 2D/GaN 3D ultra-shallow van der Waals heterojunctions ultraviolet (UV) photodetector via atomic layer deposition Al2O3 tunneling layer, and the conversion between direct tunneling (DT) and FNT has also been systematically studied. At reverse bias (<−0.253 V) with the high build-in field, the high-speed photogenerated carriers overcome the thin insulator layer through the FNT, occurring impact ionization during the process resulting in a multiplication of the photocurrent. Consequently, the photodetector demonstrates pronounced photoresponse performances working under a weak light of 5 μW/cm2 at −2 V, including remarkable responsivity (122.57 A/W), ultrahigh specific detectivity (5.63 × 1014 Jones), and high sensitivity (1.29 × 107%), which indicated that the device has excellent weak light detection ability. This work presents a novel route to fabricate high-performance optoelectronic devices by using the FNT tunneling mechanism.
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