Äußerst effizienter Graphen-Phototransistor

Graphen, die zweidimensionale Form des Kohlenstoffs, hat ungewöhnliche elektrische und optische Eigenschaften, die es für die Optoelektronik und die Photonik interessant machen. Es besitzt eine große spektrale Bandbreite und, dank einer hohen Ladungsträgerbeweglichkeit, eine sehr kurze Antwortzeit. Doch effiziente Photodetektoren konnte man aus Graphen bislang nicht herstellen, da es das Licht nur schwach absorbiert und da der auftretende Photostrom sich nicht in der Graphenschicht verstärken ließ. Jetzt haben Forscher in Spanien diese Probleme gelöst und einen sehr lichtempfindlichen Graphen-Phototransistor gebaut.

Gerasimos Konstantatos und seine Kollegen am Institut de Ciencies Fotoniques in Castelldefels bei Barcelona haben ein kompaktes hybrides Bauelement aus Graphen und einer dünnen Schicht von kolloiden Quantenpunkten hergestellt, das gleich mehrere Fliegen mit einer Klappe schlägt. Es lässt sich in die Siliziumelektronik integrieren, hat eine hohe Lichtabsorption für sichtbares und infrarotes Licht, und es zeigt eine sehr leistungsfähige Verstärkung des auftretenden Photostroms direkt im Graphen. Diese Verstärkung, bei der jedes einfallende Photon ca. 10⁸ Elektronen erzeugt, kann mit einer Verzögerungszeit von nur etwa 10 Millisekunden elektrisch ein- und ausgeschaltet werden.

Der Graphen-Phototransistor, in dem das auf ein Gate einfallende Licht einen elektrischen Strom steuert, ist folgendermaßen aufgebaut: Auf einer Unterlage aus Silizium ist eine isolierende Schicht aus Siliziumdioxid aufgetragen, auf der eine ein- oder zweilagige Graphenflocke liegt. Die Flocke ist von einer 80 Nanometer dicken Kolloidschicht aus Quantenpunkten bedeckt: nanometergroßen Bleisulfidpartikeln in wasserfreiem Toluen. An zwei Goldelektroden legten die Forscher längs der Kolloidschicht eine Source-Drain-Spannung an. Außerdem lag zwischen dem Siliziumsubstrat und der Kolloidschicht eine variable Backgate-Spannung.

Die Forscher verwendeten für ihre Phototransistoren zwei verschiedene Kolloidschichten, eine mit „großen“ Quantenpunkten und eine mit „kleinen“. Die kleinen Partikel zeigten bei einer Lichtwellenlänge von 950 Nanometern eine exzitonische Anregung, bei der jeweils ein Photon ein gebundenes Elektron-Loch-Paar erzeugt. In den großen Partikeln wurden Exzitonen hingegen bei 1450 Nanometern angeregt. Für Wellenlängen oberhalb von 950 bzw. 1450 Nanometern trat keine Anregung auf.

Nach der Anregung der Elektron-Loch-Paare trennten sich die Löcher von den Elektronen. Während die Löcher in die Graphenschicht überwechselten, blieben die Elektronen bis zu einigen Sekunden in den Quantenpunkten gefangen, die sich daraufhin negativ aufluden. Die negative Ladung der Quantenpunkte bewirkte durch kapazitive Kopplung, dass sich zusätzlich positive Löcher in der Graphenschicht ansammelten und deren Leitfähigkeit veränderten.

Je nachdem ob die angelegte Backgate-Spannung größer oder kleiner als die „Dirac-Spannung“ war, wurde der Ladungstransport in der Graphenschicht durch Elektronen oder Löcher dominiert. Wechselten nun Löcher von den belichteten Quantenpunkten in die Graphenschicht, so konnten sie deren Leitfähigkeit erhöhen oder verringern, je nachdem ob Löcher oder Elektronen den Ladungstransport dominierten, was sich durch die Backgate-Spannung regulieren ließ.

Hatten die Löcher die Oberhand, so wurde der Photostrom durch die zusätzlichen, von den negativen Quantenpunkten angezogenen Löcher in der Graphenschicht erheblich verstärkt. Bei Bestrahlung der Kolloidschicht mit Licht von 600 Nanometern und bei einer Backgate-Spannung unterhalb der Dirac-Spannung maßen die Forscher für die Empfindlichkeit des Phototransistors bis zu 5 × 10⁷ Ampere pro Watt und für seine lichtelektrische Verstärkung bis zu 10⁸. Sie sind zuversichtlich, dass sich die Verstärkung noch wesentlich vergrößern lässt, indem man die Ladungsträgerbeweglichkeit im Graphen verbessert und die Source-Drain-Spannung erhöht.

Mit Hilfe der Backgate-Spannung ließ sich die Lichtempfindlichkeit des Phototransistors regulieren und sogar völlig ausschalten. Durch einen kurzen Spannungspuls, der die in den Quantenpunkten gefangenen Elektronen befreite, konnten die Forscher den Phototransistor innerhalb von etwa 10 Millisekunden in seinen Ausgangszustand zurücksetzen. Dank dieser kleinen Verzögerungszeit werden Bildaufnahmen mit Videofrequenz möglich. Die hohe Empfindlichkeit des Graphen-Phototransistor eröffnet auch die Möglichkeit, kompakte Photonendetektoren herzustellen, die noch für sehr kleine Photonenzahlen empfindlich sind.

Rainer Scharf