Electrical and optical characterization of graphene/germanium Schottky junctions

After its discovery in 2004 by Geim and Novolosev (Nobel Prize in Physics in 2010), graphene has been the most studied material. It exhibits extraordinary properties, such as very high mobility, large current-carrying capability, great flexibility, scalability and transparency, which make it be suitable for electronic applications. In the last five years systematic investigation have focused on the graphene/ semiconductor Schottky junctions. Since studies are still at an early stage, a fully accepted theory that models such a junction does not exist yet, although Schottky theory well describes it in first approximation. In this work the electrical and optical characteristics of graphene/germanium junctions are discussed. Different substrates have been employed: heavily doped epitaxial germanium, low-doped epitaxial germanium, a low-doped bulk germanium. A proper Schottky behavior is observed, when low-doped germanium is employed. Measured barrier heights are about 0.40-0.53eV. Once electrical characteristics are proven to be good, samples are optically measured. Thanks to the optical properties of graphene, graphene/germanium diodes can be used as photodetectors. Absorption in graphene is only about 2-3% in the near-infrared and visible spectral range, therefore it acts like a transparent carrier collector. Carriers are photogenerated inside the semiconductor and injected into graphene. When working in standard photodiode mode, i.e. when bias is applied between anode and cathode, responsivity of the graphene/germanium junctions is verified to lay in the standard germanium spectral range. An enhancement in responsivity should be expected when a bias across graphene is applied. This phenomenon, called Quantum Carrier Reinvestment, has been reported only in a single publication (Liu et al., 2014, ACS Nano) and has not been reproduced yet, so the reason why it is not here verified is still an open issue.

Sin dalla sua scoperta nel 2004 da parte di Geim e Novolosev (Premi Nobel in fisica nel 2010), il grafene è stato il materiale più studiato degli ultimi dieci anni. Esso possiede infatti proprietà straordinarie, come l'alta mobilità, l'abilità di trasportare alte correnti, la scalabilità e trasparenza, che lo rendono adatto per applicazioni elettroniche. Negli ultimi cinque anni sono stati effettuati studi sistematici sulle giunzioni Schottky grafene/semiconduttore. Questi studi sono quindi ancora nella loro fase iniziale, pertanto al momento non esiste ancora una teoria completa che modellizzi tale giunzione, sebbene essa sia ben descritta in prima approssimazione dalla teoria Schottky. In questo lavoro sono discusse le caratteristiche elettriche e ottiche di giunzioni grafene/germanio. Diversi substrati sono stati impiegati: germanio epitassiale altamente drogato, germanio epitassiale poco drogato e germanio bulk poco drogato. Un corretto andamento rettificante è stato osservato con substrati di germanio poco drogato. Le altezze di barriera ottenute sono circa 0.40-0.53eV. Una volta verificata la correttezza delle caratteristiche elettriche, i campioni sono stati misurati otticamente. Grazie alle proprietà ottiche del grafene, i diodi grafene/germanio possono essere impiegati come fotorivelatori. L'assorbimento nel grafene è solo del 2-3%, pertanto esso si comporta come un raccoglitore di portatori trasparente nel range spettrale del visibile e del vicino IR. I portatori sono quindi fotogenerati all'interno del semiconduttore e trasportati nel grafene. La responsivity delle giunzioni grafene/germanio si trova all'interno del range spettrale standard dei fotorivelatori di germanio, quando il dispositivo lavora come fotodiodo convenzionale, ovvero quando il bias è applicato tra anodo e catodo. Ci si aspetterebbe un aumento nella responsivity se il bias venisse applicato attraverso il grafene. Questo fenomeno, chiamato Quantum Carrier Reinvestment, è riportato in un solo articolo (Liu et al., 2014, ACS Nano) e non è ancora stato riprodotto. La ragione per cui la sua presenza non sia stata qui riscontrata è ancora pertanto una questione aperta.