We determined the band alignment of a graphene-insulator-semiconductor structure using internal photoemission spectroscopy. From the flatband voltage and Dirac voltage, we infer a 4.6× 1011cm2 negative extrinsic charge present on the graphene surface. Also, we extract the graphene work function to be 4.56 eV, in excellent agreement with theoretical and experimental values in literature. Electron and hole injection from heavily doped p-type silicon (Si) are both observed. The barrier height from the top of the valence band of Si to the bottom of the conduction band of silicon dioxide (SiO2) is found to be 4.3 eV. The small optical absorption in graphene makes it a good transparent contact to enable the direct observation of hole injection from Si to graphene. The barrier height for holes escaping from the bottom of Si conduction band to the top of SiO2 valence band is found to be 4.6 eV.

1.
K. S.
Novoselov
,
A. K.
Geim
,
S. V.
Morozov
,
D.
Jiang
,
Y.
Zhang
,
S. V.
Dubonos
,
I. V.
Grigorieva
, and
A. A.
Firsov
,
Science
306
,
666
(
2004
).
2.
K. S.
Novoselov
,
A. K.
Geim
,
S. V.
Morozov
,
D.
Jiang
,
M. I.
Katsnelson
,
I. V.
Grigorieva
,
S. V.
Dubonos
, and
A. A.
Firsov
,
Nature
438
,
197
(
2005
).
3.
F.
Wang
,
Y.
Zhang
,
C.
Tian
,
C.
Girit
,
A.
Zettl
,
M.
Crommie
, and
Y. R.
Shen
,
Science
320
,
206
(
2008
).
4.
A.
Vakil
and
N.
Engheta
,
Science
332
,
1291
(
2011
).
5.
B.
Sensale-Rodriguez
,
T.
Fang
,
R.
Yan
,
M. M.
Kelly
,
D.
Jena
,
L.
Liu
, and
H.
Xing
,
Appl. Phys. Lett.
99
,
113104
(
2011
).
6.
B.
Sensale-Rodriguez
,
R.
Yan
,
M. M.
Kelly
,
T.
Fang
,
K.
Tahy
,
W. S.
Hwang
,
D.
Jena
,
L.
Liu
, and
H.
Xing
,
Nat. Commun.
3
,
780
(
2012
).
7.
L.
Britnell
,
R. V.
Gorbachev
,
R.
Jalil
,
B. D.
Belle
,
F.
Schedin
,
A.
Mishchenko
,
T.
Georgiou
,
M. I.
Katsnelson
,
L.
Eaves
,
S. V.
Morozov
,
N. M. R.
Peres
,
J.
Leist
,
A. K.
Geim
,
K. S.
Novoselov
, and
L. A.
Ponomarenko
,
Science
335
,
947
(
2012
).
8.
N. V.
Nguyen
,
O. A.
Kirillov
,
W.
Jiang
,
W.
Wang
,
J. S.
Suehle
,
P. D.
Ye
,
Y.
Xuan
,
N.
Goel
,
K. W.
Choi
,
W.
Tsai
, and
S.
Sayan
,
Appl. Phys. Lett.
93
,
082105
(
2008
).
9.
V. V.
Afanasev
and
A.
Stesmans
,
J. Appl. Phys.
102
,
081301
(
2007
).
10.
Q.
Zhang
,
G.
Zhou
,
H.
Xing
,
A. C.
Seabaugh
,
K.
Xu
,
H.
Sio
,
O. A.
Kirillov
,
C. A.
Richter
, and
N. V.
Nguyen
,
Appl. Phys. Lett.
100
,
102104
(
2012
).
11.
X.
Li
,
W.
Cai
,
J.
An
,
S.
Kim
,
J.
Nah
,
D.
Yang
,
R.
Piner
,
A.
Velamakanni
,
I.
Jung
,
E.
Tutuc
,
S. K.
Banerjee
,
L.
Colombo
, and
R. S.
Ruoff
,
Science
324
,
1312
(
2009
).
12.
X.
Liang
,
B.
Sperling
,
I.
Calizo
,
G.
Cheng
,
C.
Hacker
,
Q.
Zhang
,
Y.
Obeng
,
K.
Yan
,
H.
Peng
,
Q.
Li
,
X.
Zhu
,
H.
Yuan
,
A.
Walker
,
Z.
Liu
,
L.
Peng
, and
C.
Richter
,
ACS Nano
5
,
9144
(
2011
).
13.
A.
Reina
,
X.
Jia
,
J.
Ho
,
D.
Nezich
,
H.
Son
,
V.
Bulovic
,
M. S.
Dresselhaus
, and
J.
Kong
,
Nano. Lett.
9
,
30
35
(
2009
).
14.
P.
Blake
,
E. W.
Hill
,
A. H.
Castro Neto
,
K. S.
Novoselov
,
D.
Jiang
,
R.
Yang
,
T. J.
Booth
, and
A. K.
Geim
,
Appl. Phys. Lett.
91
,
063124
(
2007
).
15.
N. V.
Nguyen
,
O. A.
Kirillov
, and
J. S.
Suehle
,
Thin Solid Films
219
,
2811
(
2011
).
16.
R. R.
Nair
,
P.
Blake
,
A. N.
Grigorenko
,
K. S.
Novoselov
,
T. J.
Booth
,
T.
Stauber
,
N. M. R.
Peres
, and
A. K.
Geim
,
Science
320
,
1308
(
2008
).
17.
R. J.
Powell
,
J. Appl. Phys.
41
,
2424
(
1970
).
18.
S. M.
Sze
and
K. K.
Ng
,
Physics of Semiconductor Devices
, 3rd ed. (
Wiley
,
New Jersey
,
2007
).
19.
V. K.
Adamchuk
and
V. V.
Afanas’ev
,
Prog. Surf. Sci.
41
,
111
(
1992
).
20.
N. V.
Nguyen
,
S.
Sayan
,
I.
Levin
,
J. R.
Ehrstein
,
I. J. R.
Baumvol
,
C.
Driemeier
,
C.
Krug
,
L.
Wielunski
,
P. Y.
Hung
, and
A.
Diebold
,
J. Vac. Sci. Technol A.
23
,
1706
(
2005
).
21.
K.
Nomura
and
A. H.
MacDonald
,
Phys. Rev. Lett.
98
,
076602
(
2007
).
22.
F.
Schedin
,
A. K.
Geim
,
S. V.
Morozov
,
E. W.
Hill
,
P.
Blake
,
M. I.
Katsnelson
, and
K. S.
Novoselov
,
Nature Mater.
6
,
652
(
2007
).
23.
A.
Das
,
S.
Pisana
,
B.
Chakraborty
,
S.
Piscanec
,
S. K.
Saha
,
U. V.
Waghmare
,
K. S.
Novoselov
,
H. R.
Krishnamurthy
,
A. K.
Geim
,
A. C.
Ferrari
, and
A. K.
Sood
,
Nat. Nanotechnol.
3
,
210
(
2008
).
24.
T.
Fang
,
A.
Konar
,
H.
Xing
, and
D.
Jena
,
Appl. Phys. Lett.
91
,
092109
(
2007
).
25.
R.
Williams
,
Phys. Rev.
140
,
A569
(
1965
).
26.
T.
Filleter
,
K. V.
Emtsev
,
Th.
Seyller
, and
R.
Bennewitz
,
Appl. Phys. Lett.
93
,
133117
(
2008
).
27.
S. S.
Datta
,
D. R.
Strachan
,
E. J.
Mele
, and
A. T. C.
Johnson
,
Nano. Lett.
9
,
7
11
(
2009
).
28.
T.
Takahashi
,
H.
Tokailin
, and
T.
Sagawa
,
Phys. Rev. B
32
,
8317
(
1985
).
29.
Y. J.
Yu
,
Y.
Zhao
,
S.
Ryu
,
L. E.
Brus
,
K. S.
Kim
, and
P.
Kim
,
Nano. Lett.
9
,
3430
(
2009
).
You do not currently have access to this content.