Reconfigurable 2D/0D p–n Graphene/HgTe Nanocrystal Heterostructure for Infrared Detection

材料科学 光电子学 石墨烯 光电流 光探测 光电探测器 异质结 暗电流 红外线的 半导体 纳米晶 纳米技术 光学 物理
作者
Ulrich Nguétchuissi Noumbé,Charlie Gréboval,Clément Livache,Audrey Chu,Hicham Majjad,Luis Enrique Parra López,Louis Donald Notemgnou Mouafo,Bernard Doudin,Stéphane Berciaud,Julien Chaste,Abdelkarim Ouerghi,Emmanuel P. Lhuillier,Jean‐François Dayen
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:14 (4): 4567-4576 被引量:91
标识
DOI:10.1021/acsnano.0c00103
摘要

Abstract Nanocrystals are promising building blocks for the development of low-cost infrared optoelectronics. Gating a nanocrystal film in a phototransistor geometry is commonly proposed as a strategy to tune the signal-to-noise ratio by carefully controlling the carrier density within the semiconductor. However, the performance improvement has so far been quite marginal. With metallic electrodes, the gate dependence of the photocurrent follows the gate-induced change of the dark current. Graphene presents key advantages: (i) infrared transparency that allows back-side illumination, (ii) vertical electric field transparency, and (iii) carrier selectivity under gate bias. Here, we investigate a configuration of 2D/0D infrared photodetectors taking advantage of a high capacitance ionic glass gate, large-scale graphene electrodes, and a HgTe nanocrystals layer of high carrier mobility. The introduction of graphene electrodes combined with ionic glass enables one to reconfigure selectively the HgTe nanocrystals and the graphene electrodes between electron-doped (n) and hole-doped (p) states. We unveil that this functionality enables the design a 2D/0D p–n junction that expands throughout the device, with a built-in electric field that assists charge dissociation. We demonstrate that, in this specific configuration, the signal-to-noise ratio for infrared photodetection can be enhanced by 2 orders of magnitude, and that photovoltaic operation can be achieved. The detectivity now reaches 109 Jones, whereas the device only absorbs 8% of the incident light. Additionally, the time response of the device is fast (<10 μs), which strongly contrasts with the slow response commonly observed for 2D/0D mixed-dimensional heterostructures, where larger photoconduction gains come at the cost of slower response.
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