Dual Gate Black Phosphorous Photodetectors Using a Polymer Electrolyte for Integrated Photonics and Optoelectronics Applications

Les photodétecteurs occupent une place prépondérante dans un nombre important de dispositifs. Ceux-ci sont utilisés dans plusieurs pour les communications optiques, la détection d'images, la vision nocturne, l'inspection alimentaire, l'imagerie médicale, etc. La conception de détecteurs infrarouges requiert l'utilisation de matériaux autre que le silicium démontrant une haute efficacité, détectivité et un temps de réponse rapide. Ceux-ci sont typiquement couteux et difficiles à intégrés avec des substrats flexibles ou des circuits photoniques et optoélectroniques conventionnels. Dans cette thèse, nous présentons un photodétecteur à base de phosphore noir avec une architecture à double grille basé sur sur un électrolyte polymère solide pour des applications en photonique intégrée et en optoélectronique. La combinaison de la grille électrolytique et du photodétecteur BP conventionnel permet un contrôle efficace du transport électrique et de la modulation de la densité de porteurs dans le canal BP. Les détecteurs à double grille fabriqués avec cette approche améliorent le rapport ON / OFF de 50 fois par rapport à l'architecture conventionnelle. Ceux-ci présentent également du courant de drain avec la configuration de contact source-drain orthogonale. Finalement, l'électrolyte polymère protège les flocons de BP de l'oxydation de surface et présentent des caractéristiques électriques stables dans les conditions ambiantes. Nous obtenons une modulation du photocourant par un facteur de 4 pour des puissances incidentes variant de 0.5 mW à 5 mW. Dans cette gamme de puissance, une modulation du photocourant par un facteur de 2 est obtenu en variant la tension de grille supérieure (variée de 3V à -3V) à une longueur d'onde de 808 nm. À plus faible puissance, le photodétecteur donne une modulation de photocourant largement supérieure à l'architecture conventionnelle: environ 16 fois avec une tension de grille d'électrolyte ajustée de -2 V à 2 V par rapport au dispositif à grille inférieure qui est d'environ 2.5 fois avec une tension de grille variant de -10 V 10 V dans le proche infrarouge. Des sensibilités de centaines de mA / W sont obtenues pour les photodétecteurs BP dans les régimes visible et proche-infrarouge.

Abstract

Visible and infrared photodetectors have become important in a multitude of present-day devices that find emerging applications in several fields: optical communications, image sensing, night vision, food monitoring and medical imaging etc. However, photodetection beyond the visible region of spectrum requires investigating unconventional materials and designs that deliver superior performance in terms of photocurrent/responsivity, detectivity and response speed, that also allow ultra-low weight, low-cost, flexible and easy integration with the photonic and optoelectronic circuits. In this thesis, we report on a dual-gate black phosphorous photodetector based on solid polymer electrolyte for integrated photonics and optoelectronic applications. The combination of polymer electrolyte gate with the conventional back-gate black phosphorous (BP) photodetector allows for efficient control of electrical transport and carrier-density modulation in the BP channel. Our dual-gate field effect transistors provide a 50-fold enhancement in the drain currents that lead to high ON/OFF ratio as compared to the conventional SiO2 bottom gating. The BP FETs with polymer electrolyte film also protect BP flake from surface oxidation and show stable electrical characteristics under ambient conditions. The polymer electrolyte-based FETs also show an enhancement in the drain current with the orthogonal source-drain contact configuration. Photocurrent modulation by a factor of four by incident powers (varied from 0.5 to 5 mW) at a wavelength of 808 nm. At these modest powers, a factor of two modulation in the photocurrent is achieved by varying the top-gate voltage (from 3 V to -3 V). At lower powers, the dual-gate polymer electrolyte based BP photodetector shows a photocurrent a substantial enhancement of the photocurrent by 16 when the electrolyte gate voltage tuned from -2 V to 2 V as compared to the bottom gate device which is 2.5 times, when the gate voltage varied from -10 V to 10 V. Responsivities of the order of hundreds of mA/W are obtained for the BP photodetectors in both visible and NIR regimes.