Super-float-gated organický poľný tranzistor s nanočasticami spracovaný v roztoku ako nechladený ultrafialový a infračervený fotónový počítač | vedecké správy

Super-float-gated organický poľný tranzistor s nanočasticami spracovaný v roztoku ako nechladený ultrafialový a infračervený fotónový počítač | vedecké správy

Anonim

predmety

  • Aplikovaná fyzika
  • Fotonické zariadenia
  • Semiconductors
  • senzory

abstraktné

Vysoko citlivé fotodetektory v ultrafialovej (UV) a infračervenej (IR) oblasti majú široké civilné a vojenské použitie. Tu uvádzame správu o nechladenom fotónovom počítači s UV-IR spracovaným v roztoku, ktorý je založený na modifikovaných tranzistoroch s organickým poľom. Tento typ UV detektorov má nanočastice oxidu zinočnatého absorbujúce svetlo (NPs) absorbujúce svetlo vložené medzi dve dielektrické vrstvy brány ako plávajúce hradlo. Fotonom generované náboje na plávajúcej bráne spôsobujú oblasti s vysokým odporom v tranzistorovom kanáli a vyladia výstupný prúd s výstupom. Tento mechanizmus „super float-gating“ umožňuje fotodetektory s veľmi vysokou citlivosťou s minimálnou detekovateľnou intenzitou ultrafialového svetla 2, 6 fotónov / μm 2 s pri izbovej teplote, ako aj so schopnosťou počítať fotóny. Na základe rovnakého mechansimu boli tiež preukázané infračervené fotodetektory so sulfidmi olovnatými NP ako materiály absorbujúce svetlo.

úvod

Vysoko citlivé fotodetektory a počítadlá fotónov s rozlíšením na fotónovej úrovni sú kritické v mnohých civilných a vojenských aplikáciách, vrátane kvantovej kryptografie 1, 2, zobrazovania pri extrémne nízkych úrovniach okolitého osvetlenia, detekcie a merania svetla (LIDAR) 3, 4, 5, prieskum vesmíru 6, 7 a lekárske zobrazovanie 8, 9 . Vysoko citlivé fotodetektory, ktoré sa dnes používajú, ako sú fotonásobiče (PMT) alebo lavinové fotodiódy (APD), kombinované s diskriminátormi a pridruženou elektronikou, preukázali schopnosť počítania jednotlivých fotónov. Napriek ich vysokej detekcii je použitie PMT v mnohých oblastiach, ako napríklad laserové radarové zobrazovanie 10 a lekárske zobrazovanie, obmedzené. Je to kvôli ich veľkej krehkej štruktúre vákuovej trubice, náchylnosti na magnetické pole a požiadavke na vysoké hnacie napätie nad 1 000 voltov. Kvantová účinnosť PMT je obvykle nižšia ako 20% v UV / modrej a menej ako 5% v režime červenej vlnovej dĺžky 11 . APD fungujúce v Geigerovom móde 12, 13 vykázali oveľa vyššiu kvantovú účinnosť ako PMT vo viditeľnom rozsahu, s priestorovým rozlíšením tak malým ako 100 mikrometrov a nižšou systematickou odchýlkou ​​niekoľko stoviek 12, 14, 15 . Geigerov režim APD však trpí vysokými multiplikačnými šummi a problémami s časom mŕtveho oneskorenia po impulze 16, 17, 18 . Nové všestranné aplikácie vyvíjajú tlak na vývoj novej generácie fotodetektorov s vyššou detekciou, nechladeným, vyšším rozlíšením, lepšou flexibilitou a integráciou do kremíkovej technológie, pričom všetky sa dosiahnu s lepším výnosom a nižšími výrobnými / prevádzkovými nákladmi.

Ukázalo sa, že najnovšie pokroky v technológiách detekcie svetla absorbujú nanomateriálne revolúcie za posledné desaťročie, napríklad Shields , Yablonovitch a Mirin pre detekciu jedného fotónu vyvinuli kvantový bodový jednofotónový detektor (QDSPD) 19, 20, 21 , 22 . Tieto QDSPD používali vrstvu indium arsenidu QD zabudovanú do hrubej vrstvy génia arzenidu medzi hradlovou dielektrickou vrstvou a kanálom tranzistora poľného efektu (FET) na zachytenie fotogenerovaných dier vo vrstve GaAs 19, 20, 21, 22, Zachytené diery v QD monitorujú napätie hradla a teda pôsobia ako opticky adresovateľná plávajúca brána, čo vedie k trvalej zmene prúdu kanála. Tieto QDSPD však vyžadujú nákladný a pomalý epitaxný rast v ultra vysokom vákuu 19, 20, 21 ; a QDSPD pracujú iba pri extrémne nízkej teplote ~ 4 K, aby sa obmedzili náboje v QD. Je nepravdepodobné, že by tieto QDSPD boli široko využívané pre lacné aplikácie. Na druhej strane, zariadenia spracované v roztoku vyrobené z organických polovodičových materiálov, anorganických nanočastíc (NP) alebo nanokompozitných materiálov poskytli kritický krok pre nízkonákladové vysokovýkonné fotodetektory 23, 24, 25, 26, 27, 28 . Doteraz sa vo fotodetektoroch široko používajú nanomateriály, ako napríklad koloidné QD sírnika olovnatého, koloidné NP selenid kadmia, NP a oxidy zinočnatého (ZnO) a nanowire. Avšak väčšina z opísaných fotodetektorov spracovaných v roztoku, založených na mechanizme fotovodiča alebo fotodiódy, vykazuje iba minimálne detegovateľné svetelné intenzity okolo 10 ~ 8 ~ 10 ~ 5 W / cm2 27, 29, 30, 31, 32 . V tomto rukopise uvádzame nový typ tranzistora s organickým poľným efektom spracovaného v roztoku (OFET) ako vysoko citlivý nechladený fotodetektor. OFET integruje ZnO NP vložené medzi dve dielektrické vrstvy pod kanálovú vrstvu a na vyladenie kanálového prúdu využíva foto-generované, obmedzené elektróny. Obrovský fotovodivý zisk, ako aj schopnosť zapamätania a počítania fotónov, bol umožnený novým mechanizmom super-plávajúceho hradlovania. Bola preukázaná minimálna detegovateľná intenzita ultrafialového svetla 2, 6 fotónov / μm 2 s (1, 5 x 10 - 10 W / cm2).

výsledok

Princíp činnosti zariadenia a výkon zariadenia

Nanočasticový superorádny tranzistor organického poľa s efektom organického poľa (NPSGOFET) je fotónový počítač typu OFET s dolným hradlom a vrchným kontaktom, ktorý sa skladá z fotoaktívnej vrstvy ZnO NP vloženej medzi dve dielektrické vrstvy, ako je znázornené na obrázku la. Ako substrát aj ako brána sa použil vysoko dopovaný kremíkový (Si) plát. Spodná dielektrická vrstva bola vrstva oxidu kremičitého s termickým rastom (Si02) s hrúbkou 200 nm a horná dielektrická vrstva bola veľmi tenká vrstva polystyrénu (PS), na ktorej bola organická polovodičová vrstva vyrobená buď z trimetyl- [2, ] štvrťtiofén-5-ylsilán (4T-TMS) alebo pentacén. Veľmi tenká zabudovaná dielektrická vrstva PS bola vytvorená vertikálnym rozdelením fázy zmesi 4T-TMS: PS po nanášaní kvapiek (pozri podrobnosti v časti Experiment). Obrázok zodpovedajúci prierezu skenovacieho elektrónového mikroskopu (SEM) je zobrazený na obrázku 1b, kde je možné jasne identifikovať vrstvu ZnO NPs, vrstvu PS a vrstvu 4T-TMS. Spektrum optickej odozvy je určené vrstvou ZnO NPs. Obrázok 1c zobrazuje absorpčné spektrum vrstvy ZnO NPs s hrúbkou 60 nm, kde je možné identifikovať optickú pásovú medzeru 3, 4 eV pre ZnO NP. Hrúbka tejto vrstvy PS sa kontrolovala okolo 10 nm, ktorá sa upravila zmenou pomeru zmesi 4T-TMS: PS.

Image

a) Štruktúra zariadenia fotodetektora NPSGOFET; b) obrázok prierezu SEM fotodetektora NPSGOFET; (c) absorpčné spektrum fotoaktívnej vrstvy ZnO NP; d) schematické zobrazenie procesu detekcie a procesu resetovania fotodetektora NPSGOFET.

Obrázok v plnej veľkosti

Pracovný proces fotometra NPSGOFET je schematicky znázornený na obrázku 1d. Počítadlo fotónov pracuje prirodzene v stave ON. V tme pôsobí vrstva ZnO NPs ako aj vrstva PS ako izolačná dielektrická vrstva. Otvory vstrekované zo zdrojovej elektródy sa vytvárajú na rozhraní 4T-TMS / PS kvôli izolačnej vlastnosti PS a veľkému rozdielu v energii medzi najvyšším obsadeným molekulárnym orbitálom (HOMO) 4T-TMS (-5, 5 eV) a valenčné pásmo ZnO (−7, 6 eV). Nosiče sú poháňané napätím zdroja-odtoku a prenášajú sa laterálne k odtokovej elektróde. Absorpcia UV fotónov pomocou 4T-TMS a PS je malá kvôli ich veľkej šírke pásma a malej hrúbke. Incidenty UV fotónov excitujú páry elektrónových dier vo vrstve ZnO NPs. Pod aplikovanou negatívnou zaujatosťou hradia elektróny prechod cez vrstvu ZnO NP a sú obmedzené na rozhraní ZnO / PS. Obmedzené elektróny na rozhraní ZnO / PS pôsobia kolumbickou príťažlivosťou na prenášajúce nosné nosiče v blízkom polovodičovom kanáli a tým vedú k zníženiu výstupného prúdu (AI SD ) v OFET. AI SD je v korelácii s hustotou foto generovaných obmedzených elektrónov na rozhraní ZnO / PS, a teda s hustotou dopadajúceho svetla. Obmedzené elektróny na rozhraní ZnO / PS môžu byť veľmi dlho držané elektrickým poľom aplikovaného hradla bez rekombinácie. Preto Δ I SD pretrváva aj po vypnutí dopadajúceho svetla. Toto je hlavný rozdiel medzi naším počítačom fotónov NPSGOFET a konvenčnými fotovodičmi alebo diódami, v ktorých prúdový signál rýchlo klesá, keď zhasne svetlo 19, 20, 21, 22 . V NPSGOFET je AI SD určený skôr množstvom absorbovaných fotónov než intenzitou svetla, takže zariadenie pracuje v režime počítania fotónov. Toto počítadlo fotónov môže priebežne počítať dopadajúce fotóny a môže byť resetované rezervovaným impulzom ovplyvňujúcim posun. Elektróny na rozhraní ZnO / PS sa v rámci vyhradeného hradlového posunu pohybujú smerom k otvorom vo vrstve NPn ZnO a rekombinujú s nimi. V dôsledku toho zmiznú pasce vyvolané fotónmi a prúd kanála obnoví svoju pôvodnú hodnotu.

Obrázok 2a zobrazuje typickú krivku prenosu zariadenia NPSGOFET v tme a pod UV svetlom. Pokrytie NP ZnO tenkou vrstvou PS je rozhodujúce pre fotónové počítadlo NPSGOFET. Jednou z jeho funkcií je sploštiť a zapuzdriť povrch vrstvy ZnO NP tak, aby nosiče dier neboli zachytené povrchovými defektmi na ZnO NP a NPSGOFET mohol pracovať ako normálne tranzistorové zariadenie v tme. Vypočítaná pohyblivosť otvorov tranzistora na báze 4T-TMS v tme je okolo 0, 065 cm2 / Vs, čo je porovnateľné s údajmi 33, 34 . Keď bolo zariadenie osvetlené UV žiarením, prúdový kanál okamžite klesol. Keď sa kanálová oblasť osvetlila viditeľným svetlom (400 - 700 nm), nepozorovala sa žiadna zmena prúdu kanála, čo potvrdzuje, že súčasná variácia OFET bola spôsobená absorpciou ultrafialového žiarenia ZnO NPs s veľkou šírkou pásma. Fotónová detekcia a resetovanie NPSGOFET bolo demonštrované zaznamenaním AI SD pod osvetlením sledu impulzov UV svetla, po ktorom nasledoval po každom svetelnom impulze impulz so spätnou väzbou. Ako je znázornené na obrázku 2b, pulz UV svetla v trvaní 0, 5 sekundy spôsobil AI SD od 700 nA do 5 nA; a impulz spätného vychýlenia ~ 40 ms môže obnoviť I SD na pôvodnú hodnotu, takže zariadenie NPSGOFET má štandardný pracovný proces „optický zápis / elektrický reset“. V skutočnosti môže byť zariadenie NPSGOFET tiež čiastočne resetované iba vypnutím hradlového napätia, pretože vypnutie predpätia hradla uvoľní obmedzené elektróny do vrstvy ZnO. Dodatočné kladné napätie hradla vedie k rýchlemu a úplnému resetovaniu. Detektor vykazuje zvýšený odpor (znížený prúd) pomocou osvetlenia, čo si vyžaduje jedinečné obvody na čítanie s a) schémou zrkadlového obvodu na zrušenie prúdu; alebo b) premena zmeny odporu zariadenia na zmenu napäťového výstupu 35, 36, 37 . Takéto schémy čítania sa používajú aj v iných ultracitlivých fotodetektoroch, ako sú supravodivé jednofotónové detektory, ktoré majú podobnú reakciu na svetlo.

Image

a) prenosové charakteristiky fotodetektora NPSGOFET v tme (červená) a pod UV svetlom (modrá); (b) detekciu a resetovanie detektorov NPSGOFET pod impulzmi UV a kladnými impulzmi hradlového napätia; c) exponenciálny prúdový útlm zariadení NPSGOFET pri rôznych intenzitách UV svetla; d) rýchlosť poklesu kanálového prúdu v závislosti od intenzity dopadajúceho svetla v rozmedzí od 2, 6 fotónov / μm 2 s do 3, 5 × 104 fotónov / μm 2 s; e) rýchlosť rozpadu fotodetektora NPSGOFET pri slabej intenzite UV žiarenia 2, 6 fotónov / μm 2 sa 16 fotónov / μm 2 s; sú tiež znázornené histogramy aktuálnej rýchlosti rozkladu pri zodpovedajúcich intenzitách UV svetla; f) kontinuálne počítanie fotónov fotodetektora NPSGOFET pod impulzmi UV (193 nm) so šírkou impulzu 12 nanosekúnd a intervalom 200 ms. Rýchlosť odozvy bola obmedzená aktuálnym nastavením merania.

Obrázok v plnej veľkosti

Aby sa vyhodnotila citlivosť a lineárny dynamický rozsah tohto typu fotodetektora, študovali sa variácie I SD pri rôznych intenzitách UV svetla, pričom rôzne intenzity UV svetla boli generované diódou emitujúcou svetlo nitridu gália (GaN) (LED) (emisia) pík pri 345 nm) a zoslabený súborom filtrov s neutrálnou hustotou (obrázok 2c). Pri konštantnej intenzite ultrafialového žiarenia sa zistilo, že I SD klesal exponenciálne s časom, pretože fotodetektor stále absorboval a počítal fotóny. Silnejšia intenzita UV žiarenia vedie k rýchlejšej rýchlosti rozkladu (rýchlosť rozkladu je definovaná ako k SD = - d log ( I SD ) / dt ). V tme existuje rozklad pozadia I SD zariadenia, ktorého kolísanie určuje najnižšiu intenzitu svetla, ktorú je možné merať (alebo výkon ekvivalentný šumu (NEP)). Pre lepšie pochopenie vzťahu medzi súčasnými rýchlosťami rozpadu a intenzitou UV svetla sme na obrázku 2d zakreslili k SD získanú ako funkciu intenzity UV. K SD lineárne sa zvyšuje s intenzitou dopadajúceho UV svetla vo viac ako štyroch rádoch od 2, 6 fotónov / μm 2 s do 3, 5 x 104 fotónov / μm 2 s.

Obrázok 2e ukazuje k SD NPSGOFET pod obdĺžnikovým UV svetelným impulzom s intenzitou svetla 2, 6 fotónov / μm 2 sa 16 fotónov / μm 2 s, demonštrujúc jeho schopnosť detekovať slabé svetlo. Distribúcia aktuálnej rýchlosti rozpadu v tme alebo pri slabom UV svetle (2, 6 fotónov / μm 2 sa respektíve 16 fotónov / μm 2 s) je znázornená na obrázku 2d. Prístroj sa ešte nepriblížil k počítaniu jednotlivých fotónov, pretože pri svojej minimálnej detekovateľnej úrovni intenzity energie (2, 6 fotónov / μm 2 s, tj 0, 15 nW / cm2) vyžaduje na rozlíšenie signálu od šumu integráciu desiatok sekúnd (zodpovedajúcu ~ 100 fotónov / μm2). Táto nízka úroveň intenzity svetla patrí medzi najnižšie zistiteľné intenzity svetla akýmkoľvek nechladeným UV fotodetektormi 23, 24, 38 v tuhom stave. Malo by sa poznamenať, že minimálna detegovateľná intenzita svetla je oveľa menšia ako intenzita UV fotodetektora s nanoštruktúrovaným fotovodičom ZnO 27, 29, 39, kvôli vysokému zisku z mechanizmu superplávajúceho hradenia, ktorý je vlastný počítadlu fotónov NPSGOFET. Vysoká citlivosť týchto fotodetektorov pochádza z veľkého fotovodivého zisku, pretože zdrojová elektróda poskytuje dostatočný prísun náboja a zmena prúdu je spôsobená zmenou vodivosti vyvolanej fotografiou. Dlhá životnosť rekombinácie obmedzených elektrónov teoreticky môže vyvolať veľmi veľký zisk pre NPSGOFET.

Na demonštráciu schopnosti počítania svetelných impulzov tohto typu fotodetektora sa zaznamenal AI SD pod sledom nano-sekundových UV impulzov a je znázornený na obrázku 2f. Vláknový sled UV svetla so šírkou impulzu 12 ns a intervalom 200 ms bol generovaný excimerovým UV laserom (BraggStar Industrial LN 1000). Pretože po každej fotónovej udalosti nie je potrebná žiadna regeneračná perióda, NPSGOFET môže počítať fotóny nepretržite bez mŕtveho času 22 . I SD sa postupne znižuje po každom dopadajúcom svetelnom impulze a I SD sa medzi každým svetelným impulzom udržuje konštantná. Toto jedinečné správanie zariadenia umožňuje počítanie svetelných impulzov pomocou jediného zariadenia bez sofistikovanej elektroniky, ktorá môže nájsť potenciálne uplatnenie v optickej komunikácii. Čas odozvy zariadenia je kratší ako 30 ms, čo je obmedzené naším súčasným systémom merania. Na druhej strane jedinečná „pamäťová“ funkcia týchto fotodetektorov umožňuje oddelenie detekcie svetla a odčítania signálu, takže elektronika nemusí mať rýchlosť rýchleho čítania, čo môže byť dôležité v aplikáciách, kde je celkový počet fotónov dopadajúcich fotónov ide o detekciu žiarenia 22 .

Super hradlový mechanizmus

Podobne ako QDSPD poskytuje veľký fotovodivý zisk v NPSGOFET vysoký výstupný signál (AI SD ) na dopadajúci fotón a umožňuje detekciu slabého svetla blízko úrovne jedného fotónu. Podľa predchádzajúcej analýzy QDSPD sa očakáva lineárna zmena výstupného prúdu tranzistora s dopadajúcimi fotónmi, ak nabité ZnO NP pracujú iba ako plávajúca brána na vyladenie zdanlivej zaujatosti hradla na polovodičovú vrstvu:

Image

kde g m je transkonduktancia tranzistora v pevnom predpätí hradla, q je náboj prvku, D je vzdialenosť medzi hradlom a vrstvou QD, ε je elektrická permitivita vesmírnych materiálov a N ph je počet absorbovaných fotóny. Ale NPSGOFET má exponenciálnu závislosť AI SD od množstva absorbovaných fotónov: AI SD ∝ exp (- N ph ). Potom sa očakáva, že nabité NP ZnO blízko rozhrania 4T-TMS / PS hrajú okrem svojej funkcie ako plávajúcej brány ďalšie úlohy, aby sa zmenila účinná zaujatosť brány. Na lepšie pochopenie bezprecedentnej vysokej citlivosti fotónového počítadla NPSGOFET pri izbovej teplote bol navrhnutý model zariadenia na vysvetlenie exponenciálneho poklesu prúdu pri konštantnom osvetlení.

Exponenciálne rozpady I SD sa dajú vysvetliť stratou pohyblivosti nosiča indukovanou pascou v organickom polovodičovom kanáli OFET. I SD prostredníctvom OFET v saturačnom režime možno opísať

Image

kde μ , C i , W , L , Vg a Vt sú mobilita diery, špecifická dielektrická kapacita, šírka kanála, dĺžka kanála, predpätie hradla a prahové napätie 40 . Pohyb nosičov (otvory v 4T-TMS) je veľmi citlivý na pasce s exponenciálnou závislosťou 41, 42,

Image

kde AEtr je priemerná hĺbka pasce energie spôsobená kolumbickou interakciou medzi obmedzenými elektrónmi na rozhraní PS / ZnO a transportnými dierami vo vrstve kanála, čo je schematicky znázornené na obrázku 3a. Malo by sa poznamenať, že extrémne citlivá reakcia mobility nosiča organických polovodičov na energetické pasce sa použila aj na iné typy detektorov, ako sú chemické senzory 43, 44, 45 . Takáto kolumbická interakcia kanálových nosičov a obmedzených poplatkov sa predtým v QDSPD neposudzovala z dôvodu veľkého oddelenia medzi nimi v týchto zariadeniach (napr. 100 nm) 19 . Pri zmene prúdu v kanáli NPSGOFET je však dôležité: 1) veľmi tenká separačná vrstva medzi nimi, čo je hrúbka vrstvy PS rádovo 5 ~ 20 nm a 2) nízka dielektrická konštanta PS ( e = 2, 6).

Image

a) Schematické znázornenie hĺbky a prierezu potenciálu dobre spôsobeného fotoelektrickými indukovanými obmedzenými elektrónmi; (b) vypočítaná rýchlosť rozpadu prúdu kanála zo superplávajúceho hradlového mechanizmu (čiarkovaná čiara), bola tiež uvedená nameraná miera rozpadu zariadenia NPSGOFET ako funkcia hrúbky vrstvy PS (trojuholník). Vložka ukazuje prierez a hĺbku zachytenia potenciálu a funkciu hrúbky vrstvy PS. c) zmena I DS fotodetektora NPSGOFET s rôznou hrúbkou vrstvy PS.

Obrázok v plnej veľkosti

Každý obmedzený elektrón na rozhraní PS / ZnO ukladá potenciálny vrt pre transportné otvory nosičov v organickom polovodivom kanáli v dôsledku kolumbickej sily medzi nimi. Očakáva sa, že priemerná hĺbka pasce všetkých vytvorených pascí bude úmerná dopadajúcim fotónom alebo vygenerovaná hustota pasce ( n tr ( t ) na rozhraní ZnO / PS, ako aj hĺbka pasce každej jednotlivej pasce (AEmax), Obrázok 3a)

Image

kde n tr ( t ) = aPt , ktoré bolo určené intenzitou UV svetla ( P , v jednotke fotónov / μm 2 s), časom svietenia ( t ) a kvantovou účinnosťou ( a ) tvorby pasce pomocou dopadajúce fotóny; Sc je prierezom každého lapača definovaného na obrázku 3a a c je konštanta opisujúca, ako každý jednotlivý lapač prispieva k priemernej hĺbke pasce. Preto je možné odvodiť

Image

kde I 0 je počiatočný prúd kanálu. Z rovnice (5) môžeme okamžite určiť dôvod exponenciálneho poklesu prúdu kanála pri konštantnom UV osvetlení a to, že rýchlosť rozpadu k SD je úmerná intenzite UV svetla ( k SD = ( ac Δ E max S c / kT ) P ). Je to v súlade s experimentálnym výsledkom (obrázok 2b – e).

Na základe mechanizmu super float-gating hrá hrúbka vrstvy PS dôležitú úlohu pri určovaní citlivosti zariadenia NPSGOFET. Pri danej hustote pasce poskytuje znížená hrúbka PS zväčšenú plochu prierezu zachytenia diery a zvýšenú priemernú hĺbku pasce, ako je znázornené na obrázku 3a, čím sa zvyšuje k SD Sc, ΔEmax a k SD zariadení s rôznou hrúbkou PS, od 30 nm do 5 nm, sa vypočítali (pozri metódu) a sú znázornené na obrázku 3b. Ako je možné vidieť na tomto obrázku, súčasná miera rozpadu zariadenia NPSGOFET (tj citlivosť takýchto fotodetektorov) sa dramaticky zvýšila, keď bola hrúbka PS menšia ako 20 nm.

Na overenie tejto simulácie sa vyrobila séria zariadení s rôznou hrúbkou PS. Pre lepšiu kontrolu hrúbky PS bola vrstva PS potiahnutá odstredením z čistého roztoku PS. Polovodičové vrstvy (pentacén) boli potom tepelne nanesené na povrch PS. Prúdový úbytok zariadení s rôznymi hrúbkami PS pod UV svetlom 3 μW / cm2 je znázornený na obr. 3c a rýchlosť úbytku výstupného prúdu zariadenia je tiež znázornená na obr. 3b. Výsledky jasne ukazujú, že výkon zariadenia je veľmi citlivý na hrúbku vrstvy PS. Experimentálne výsledky veľmi dobre súhlasia s predpokladaným k SD s jediným parametrom prispôsobenia c 0, 013.

Zariadenie NPSGOFET stále vykazuje slabú odozvu pod UV svetlom, keď vrstva PS prekračuje 30 nm, pravdepodobne preto, že k detekcii prispievajú aj iné mechanizmy, ako je napríklad mechanizmus s pravidelným plávajúcim hradlom. Aktuálne zmeny v dôsledku mechanizmu plávajúcich brán, odhadnuté z Eq. (1), sú tiež znázornené na obrázku 3c, ktorý je desaťkrát nižší ako super-plávajúce hradlové mechanizmy, keď je PS tenšia ako 10 nm. Táto analýza jasne ukazuje, ako hrúbka vrstvy PS určuje citlivosť zariadenia. Malo by sa poznamenať, že prúd tranzistorového kanála je určený pomerom šírka a dĺžka kanála (W / L), a nie oblasť kanála, a výstupná rýchlosť rozpadu prúdu k SD je nezávislá od oblasti zariadenia. To znamená, že na rozdiel od fotodiód alebo fotovodičov sa signál (AI SD ) zariadení NPSGOFET nemeria s oblasťou zariadenia. Je veľmi atraktívny na použitie polí fotodetektorov, v ktorých je možné dosiahnuť vysoké rozlíšenie zmenšením veľkosti zariadenia bez zníženia citlivosti.

Účinok zachytených elektrónov a demonštrácia infračerveného fotodetektora

Aby sa ďalej potvrdil mechanizmus super hradlovania a univerzálne použitie takejto štruktúry zariadenia, bol vyrobený UV a infračervený (UV-IR) fotodetektor založený na rovnakom mechanizme. NP sulfidy olova (PbS) sa syntetizovali s laditeľnou veľkosťou od 2 do 6 nm, čím sa predĺžila absorpcia aktívnej vrstvy z UV na takmer infračervenú oblasť 46 . NPb PbS s veľkosťou 3–4 nm, ktorý má absorpčnú medzu 1 150 nm a pásmovú medzeru približne 1, 1 eV, sa v tejto štúdii používali hlavne na demonštráciu pracovného princípu IR fotodetektorov, hoci PbS NP všetkých ostatných veľkostí fungujú ako dobre. Priame nahradenie ZnO NP za NP sulfid (PbS) v pôvodnej štruktúre zariadenia však neprinieslo pracovné zariadenie. Predpokladá sa, že dolný LUMO PbS NP umožňuje vstrekovanie dier zo 4T-TMS do PbS pod silným elektrickým poľom brány a poškodil transportnú cestu kanála. Nie je možné vylúčiť ďalšie možnosti, ktoré spôsobia zlyhanie zariadení, ako napríklad nekompatibilné rozhranie vrstvy NPP PbS s polystyrénovým dielektrikom. Tento problém sa však dá vyriešiť vložením ZnO NP medzi vrstvu PbS NP a Si02 a konečná štruktúra zariadenia je znázornená na obrázku 4a. Od obnovenia rozhrania ZnO NPs / PS má toto zariadenie podobnú odozvu na UV svetlo ako zariadenie znázornené na obrázku la. Pri IR osvetlení s vlnovou dĺžkou 900 nm neboli ZnO NPV priamo excitované kvôli oveľa väčšej medzere v pásme, zatiaľ čo zachytené elektróny sa môžu tvoriť na rozhraní ZnO / PS prostredníctvom fotoindukovaného prenosu elektrónov z PbS do ZnO NP, as ilustrované na obrázku 4b. Preto tieto zariadenia okrem pravidelnej reakcie na UV svetlo reagujú aj na IR. Ako je znázornené na obrázku 4a, pozorovalo sa zníženie kanálového prúdu, keď sa fotodetektor osvetľoval infračerveným svetlom. Aj keď citlivosť takýchto IR fotodetektorov ešte nie je optimalizovaná, tu uvedený výsledok jasne demonštroval, že mechanizmus supergatingu sa môže použiť na vývoj fotodetektorov citlivých na IR správnym návrhom zariadenia. Okrem toho výsledok tiež potvrdil, že zachytené elektróny vo vrstve NPn ZnO sú zodpovedné za pozorované zníženie prúdu a vylúčené ďalšie možné dôvody, ako je napríklad UV-žiarenie, spôsobuje degradáciu organických polovodičov.

Image

a) Exponenciálny prúdový útlm UV-IR NPSGOFET pod svetelným impulzom IR s vlnovou dĺžkou 900 nm. Vsadená je štruktúra zariadenia, kde bola vrstva PbS NPs vložená medzi vrstvu NP02 SiO 2 a ZnO. (b) Schematické znázornenie detekčného procesu fotodetektora NPSGOFET UV-IR, kde boli elektróny excitované v PbS NP a potom transportované do vrstvy NPn ZnO.

Obrázok v plnej veľkosti

diskusia

Pokiaľ ide o stabilitu detektora, je možné trvalé poškodenie organických materiálov dopadajúcim ultrafialovým žiarením, najmä hlbokým UV, čo je v organických optoelektronických zariadeniach, ako sú napríklad organické diódy emitujúce svetlo (OLED), často problémami, ktorým čelia mnohé problémy. 48, organické fotovoltaické zariadenia (OPV) 49, 50 a fotodetektory 38, 51 . V našej štúdii fotodetektor nevykazuje viditeľný rozpad pri osvetlení UV svetlom 200 hodín s intenzitou 100 nW / cm2.

V súhrne sme vyvinuli nový superzávodový tranzistor NPs na detekciu fotónov a počítanie s vysokou citlivosťou pri izbovej teplote. Zariadenie NPSGOFET pracuje v mechanizme super-plávajúcich brán. Dopadajúce fotóny indukujú uzavreté elektróny pod kanálovou vrstvou, ktoré vyladia prúd tečúci cez tranzistorový kanál. Minimálna preukázateľná intenzita UV svetla bola 2, 6 fotónov / μm 2 s (0, 15 nW / cm2), čo zaraďuje NPSGOFET medzi najlepšie UV fotodetektory. Jedinečný fotodetekčný proces podobný pamäti umožňuje NPSGOFET-u počítať fotóny bez mŕtveho času. Malý odstup medzi NPn ZnO a kanálovou oblasťou je kritický pre pozorovanú vysokú citlivosť zariadenia. Zariadenia NPSGOFET majú obrovské potenciálne aplikácie pre nechladené fotónové detektory s nízkym predpätím a lacné fotónové detektory s vysokým rozlíšením alebo s výpočtom manipulovaným s fotónmi.

metódy

Výroba zariadenia

Štruktúra zariadenia počítadla fotónov je schematicky znázornená na obrázku la. Ako hradlová elektróda a dielektrická vrstva boli použité vysoko kremíkom dopovaný kremík s odporom 0, 001 až 0, 005 ohm / cm pokrytý 200 nm tepelne pestovaného oxidu kremičitého (Si02). Po úprave povrchu Si02 UV-ozónom sa vrstva ZnO NPs s hrúbkou asi 60 nm odstredením potiahla z roztoku ZnO: chlórbenzén (2, 5% hmotn.) Pri 3000 ot./min. Počas 40 s. Vrstva ZnO NPs bola potom tepelne žíhaná na vzduchu pri 260 ° C počas 30 minút.

Na výrobu polovodičového filmu sa používa trimetyl- [2, 5'5 ', 2 ″, 5 ″, 2 ″] štvrťtiofén-5-ylsilán (4T-TMS) a polystyrén (PS) (9: 1 hmotn.% Sa najskôr rozpustil v 1, 2-dichlórbenzéne (DCB) (celkom 4 mg / ml); a potom bol roztok po kvapkách potiahnutý na povrch ZnO, počas ktorého bol substrát umiestnený na varnej platni s názvom. Uhol naklápania bol 2, 5 ° a teplota sušenia bola 80 ° C. Počas procesu sušenia došlo k vertikálnemu fázovému oddeleniu medzi zložkami PS a 4T-TMS, čo malo za následok dvojvrstvovú štruktúru PS / 4T-TMS s tenkým filmom PS pripevneným na povrch ZnO. Nakoniec boli zlaté (Au) zdroje a drenážne elektródy tepelne odparené s dĺžkou kanála a šírkou 100 μm, respektíve 1 mm. Elektrické charakteristiky zariadení boli merané pomocou dvoch Keithley 2400 Source Meters v okolitých podmienkach.

Detekcia svetla

UV žiarenie bolo emitované z diód emitujúcich hlboké UV svetlo (LED) s vlnovou dĺžkou 345 nm (UVTOP®345TO39 / TO18FW, Sensor Electronic Technology, Inc.). Fotodetektor a UV LED boli umiestnené v kovovej skrinke, aby sa vylúčilo okolité svetlo. Intenzita UV žiarenia bola regulovaná zmenou hnacieho prúdu diód a použitím neutrálnych filtrov. Intenzita dopadajúceho svetla bola pred použitím filtrov kalibrovaná UV fotodetektorom.

Modelovanie citlivosti zariadenia verzus hrúbka PS

Vplyv hrúbky PS ( d ) na rýchlosť rozpadu prúdu zariadenia pri osvetlení sa odhaduje takto:

  1. Prierez fotónovou indukovanou vysoko rezistentnou oblasťou (obrázok 3a) bol:

    Image

    Tu bola definovaná kritická hranica pre prierez zachytenia s polomerom rc, v ktorom v rámci tepelnej aktivačnej energie elektrónov nebola väčšia ako potenciálna hĺbka, tj

    Image

    , kde ε r bola relatívna dielektrická konštanta PS (2, 6), ε 0 bola dielektrická konštanta vákua, r bola horizontálna vzdialenosť medzi dierou a obmedzeným elektrónom, k bola Boltzmannova konštanta a T bola izbová teplota. Znížené d viedlo k zvýšeniu rc, a teda k zvýšeniu Sc .

  2. Zmenšená hrúbka PS tiež spôsobila hlbšie pasce, ktoré spôsobili väčšie straty rýchlosti prepravných otvorov. Maximálna hodnota hĺbky bola:

    Image

    Miera rozpadu k SD zariadenia NPSGOFET sa dá predpovedať z ekv. (5) - (7), ako je znázornené na obrázku 3b, kde sa predpokladalo, že účinnosť tvorby pasce a (38%) sa rovná absorbancii pri 345 nm (obrázok 1d).

Komentáre

Odoslaním komentára súhlasíte s tým, že budete dodržiavať naše zmluvné podmienky a pokyny pre komunitu. Ak zistíte, že je niečo urážlivé alebo nie je v súlade s našimi podmienkami alebo pokynmi, označte ho ako nevhodné.