グラフェン上に超低遷移エネルギー有機錯体を形成した高性能短波赤外光検出素子の開発

Ultralow-Transition-Energy Organic Complex on Graphene for High-Performance Shortwave Infrared Photodetection.

• Muhammad Ahsan Iqbal
• Adeel Liaqat
• Sabir Hussain
• Xinsheng Wang
• Misbah Tahir
• Zunaira Urooj
• Liming Xie

抄録

短波赤外（SWIR）領域までの常温・高感度・広帯域の光検出は、汚染の識別、赤外線イメージング、ナイトビジョン、農業検査、大気リモートセンシングなど、様々なオプトエレクトロニクスアプリケーションにとって非常に重要である。スモールバンドギャップ半導体を用いたＳＷＩＲ光検出器は、一般に、高感度化を実現するために、熱的に発生する電荷キャリアを抑制するために深冷が必要である。一方、冷却を必要とせずに優れた受光感度を得るためには、光変調効果を利用することが有効である。光フォトゲイティング効果は、光誘起キャリアの電荷が欠陥や界面でトラップされることにより、非常に高いフォトゲイン（10 以上）が得られることに由来する。ここでは、グラフェントランジスタ上に有機電荷移動錯体を集積化した高感度SWIRハイブリッド光検出器を報告する。有機電荷移動錯体（テトラチアフルバレン-クロラニル）は、0.5eVまでの低エネルギー分子間電子遷移を有しており、2μm以上の波長で効率的なSWIR吸収を実現することを目的としている。有機錯体とグラフェン界面でのフォトゲート効果により、非常に高いフォトゲインと≈10 Jonesの高い検出率が得られ、応答時間は8 ms、室温で波長2 µmの場合。

Room-temperature, high-sensitivity, and broadband photodetection up to the shortwave infrared (SWIR) region is extremely significant for a wide variety of optoelectronic applications, including contamination identification, thermal imaging, night vision, agricultural inspection, and atmospheric remote sensing. Small-bandgap semiconductor-based SWIR photodetectors generally require deep cooling to suppress thermally generated charge carriers to achieve increased sensitivity. Meanwhile, the photogating effect can provide an alternative way to achieve superior photosensitivity without the need for cooling. The optical photogating effect originates from charge trapping of photoinduced carriers at defects or interfaces, resulting in an extremely high photogain (10 or higher). Here, a highly sensitive SWIR hybrid photodetector, fabricated by integrating an organic charge transfer complex on a graphene transistor, is reported. The organic charge transfer complex (tetrathiafulvalene-chloranil) has an exceptional low-energy intermolecular electronic transition down to 0.5 eV, with the aim of achieving efficient SWIR absorption for wavelengths greater than 2 µm. The photogating effect at the organic complex and graphene interface enables an extremely high photogain and a high detectivity of ≈10 Jones, along with a response time of 8 ms, at room temperature for a wavelength of 2 µm.

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