Infrared nanocrystals are promising building blocks for the design of low-cost infrared sensors. Vertical geometry diode is, among possible geometries, the one that has led to the best performance so far. However, this geometry suffers from a lack of tunability after its fabrication, slowing down possible improvements. Here, we demonstrate gate control on a vertical diode in which the active layer is made of HgTe NCs absorbing in the extended short-wave infrared (2.5 μm). To reach this goal, we take advantage of the electrostatic transparency of graphene, combined with the high capacitance LaF3 ionic glass to design a gate tunable photodiode. The latter behaves as a work function-tunable electrode which lets the gate-induced electric field tune the carrier density within the nanocrystal film. In particular, we show that the gate allows to tune the band profile leading to more efficient charge extraction and thus an enhanced photoresponse (×4 compared to the device with a floating gate). This work also demonstrates that photoelectron extraction can still be improved in the existing diode, by better controlling the doping profile of the stack.

1.
A.
Delin
and
T.
Klüner
,
Phys. Rev. B
66
,
035117
(
2002
).
2.
A.
Svane
,
N. E.
Christensen
,
M.
Cardona
,
A. N.
Chantis
,
M.
van Schilfgaarde
, and
T.
Kotani
,
Phys. Rev. B
84
,
205205
(
2011
).
3.
E.
Lhuillier
,
S.
Keuleyan
, and
P.
Guyot-Sionnest
,
Nanotechnology
23
,
175705
(
2012
).
4.
N.
Moghaddam
,
C.
Gréboval
,
J.
Qu
,
A.
Chu
,
P.
Rastogi
,
C.
Livache
,
A.
Khalili
,
X. Z.
Xu
,
B.
Baptiste
,
S.
Klotz
,
G.
Fishman
,
F.
Capitani
,
S.
Ithurria
,
S.
Sauvage
, and
E.
Lhuillier
,
J. Phys Chem C
124
,
24360
(
2020
).
5.
G.
Allan
and
C.
Delerue
,
Phys. Rev. B
86
,
165437
(
2012
).
6.
N.
Goubet
,
A.
Jagtap
,
C.
Livache
,
B.
Martinez
,
H.
Portalès
,
X. Z.
Xu
,
R. P. S. M.
Lobo
,
B.
Dubertret
, and
E.
Lhuillier
,
J. Am. Chem. Soc.
140
,
5033
(
2018
).
7.
A.
Rogach
,
S. V.
Kershaw
,
M.
Burt
,
M. T.
Harrison
,
A.
Kornowski
,
A.
Eychmüller
, and
H.
Weller
,
Adv. Mater.
11
,
552
(
1999
).
8.
A. A.
Sergeev
,
D. V.
Pavlov
,
A. A.
Kuchmizhak
,
M. V.
Lapine
,
W. K.
Yiu
,
Y.
Dong
,
N.
Ke
,
S.
Juodkazis
,
N.
Zhao
,
S. V.
Kershaw
, and
A. L.
Rogach
,
Light Sci. Appl.
9
,
16
(
2020
).
9.
P.
Geiregat
,
A. J.
Houtepen
,
L. K.
Sagar
,
I.
Infante
,
F.
Zapata
,
V.
Grigel
,
G.
Allan
,
C.
Delerue
,
D.
Van Thourhout
, and
Z.
Hens
,
Nat. Mater.
17
,
35
(
2018
).
10.
D. S.
Koktysh
,
N.
Gaponik
,
M.
Reufer
,
J.
Crewett
,
U.
Scherf
,
A.
Eychmüller
,
J. M.
Lupton
,
A. L.
Rogach
, and
J.
Feldmann
,
ChemPhysChem
5
,
1435
(
2004
).
11.
J.
Qu
,
P.
Rastogi
,
C.
Gréboval
,
D.
Lagarde
,
A.
Chu
,
C.
Dabard
,
A.
Khalili
,
H.
Cruguel
,
C.
Robert
,
X. Z.
Xu
,
S.
Ithurria
,
M. G.
Silly
,
S.
Ferré
,
X.
Marie
, and
E.
Lhuillier
,
Nano Lett.
20
,
6185
(
2020
).
12.
É.
O'Connor
,
A.
O'Riordan
,
H.
Doyle
,
S.
Moynihan
,
A.
Cuddihy
, and
G.
Redmond
,
Appl. Phys. Lett.
86
,
201114
(
2005
).
13.
U. N.
Noumbé
,
C.
Gréboval
,
C.
Livache
,
A.
Chu
,
H.
Majjad
,
L. E.
Parra López
,
L. D. N.
Mouafo
,
B.
Doudin
,
S.
Berciaud
,
J.
Chaste
,
A.
Ouerghi
,
E.
Lhuillier
, and
J.-F.
Dayen
,
ACS Nano
14
,
4567
(
2020
).
14.
Y.
Dong
,
M.
Chen
,
W. K.
Yiu
,
Q.
Zhu
,
G.
Zhou
,
S. V.
Kershaw
,
N.
Ke
,
C. P.
Wong
,
A. L.
Rogach
, and
N.
Zhao
,
Adv. Sci.
7
,
2000068
(
2020
).
15.
M. E.
Cryer
and
J. E.
Halpert
,
ACS Photonics
5
,
3009
(
2018
).
16.
S.
Keuleyan
,
E.
Lhuillier
,
V.
Brajuskovic
, and
P.
Guyot-Sionnest
,
Nat. Photonics
5
,
489
(
2011
).
17.
E.
Lhuillier
and
P.
Guyot-Sionnest
,
IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron.
23
,
1
(
2017
).
18.
C.
Gréboval
,
S.
Ferre
,
V.
Noguier
,
A.
Chu
,
J.
Qu
,
S.-S.
Chee
,
G.
Vincent
, and
E.
Lhuillier
, arXiv:2001.11554 Cond-matphysics (
2020
).
19.
A.
Chu
,
B.
Martinez
,
S.
Ferré
,
V.
Noguier
,
C.
Gréboval
,
C.
Livache
,
J.
Qu
,
Y.
Prado
,
N.
Casaretto
,
N.
Goubet
,
H.
Cruguel
,
L.
Dudy
,
M. G.
Silly
,
G.
Vincent
, and
E.
Lhuillier
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
11
,
33116
(
2019
).
20.
C.
Buurma
,
R. E.
Pimpinella
,
A. J.
Ciani
,
J. S.
Feldman
,
C. H.
Grein
, and
P.
Guyot-Sionnest
, in
Optical Sensing, Imaging, and Photon Counting: Nanostructured Devices and Applications
(
2016
), p.
993303
.
21.
M. M.
Ackerman
,
X.
Tang
, and
P.
Guyot-Sionnest
,
ACS Nano
12
,
7264
(
2018
).
22.
A. M.
Jagtap
,
B.
Martinez
,
N.
Goubet
,
A.
Chu
,
C.
Livache
,
C.
Gréboval
,
J.
Ramade
,
D.
Amelot
,
P.
Trousset
,
A.
Triboulin
,
S.
Ithurria
,
M. G.
Silly
,
B.
Dubertret
, and
E.
Lhuillier
,
ACS Photonics
5
,
4569
(
2018
).
23.
B.
Martinez
,
J.
Ramade
,
C.
Livache
,
N.
Goubet
,
A.
Chu
,
C.
Gréboval
,
J.
Qu
,
W. L.
Watkins
,
L.
Becerra
,
E.
Dandeu
,
J. L.
Fave
,
C.
Méthivier
,
E.
Lacaze
, and
E.
Lhuillier
,
Adv. Opt. Mater.
7
,
1900348
(
2019
).
24.
M. M.
Ackerman
,
M.
Chen
, and
P.
Guyot-Sionnest
,
Appl. Phys. Lett.
116
,
083502
(
2020
).
25.
C.-H. M.
Chuang
,
A.
Maurano
,
R. E.
Brandt
,
G. W.
Hwang
,
J.
Jean
,
T.
Buonassisi
,
V.
Bulović
, and
M. G.
Bawendi
,
Nano Lett.
15
,
3286
(
2015
).
26.
S.
Pradhan
,
M.
Dalmases
, and
G.
Konstantatos
,
J. Phys. Chem. Lett.
10
,
3029
(
2019
).
27.
E.
Lhuillier
,
S.
Keuleyan
,
P.
Zolotavin
, and
P.
Guyot‐Sionnest
,
Adv. Mater.
25
,
137
(
2013
).
28.
X.
Lan
,
M.
Chen
,
M. H.
Hudson
,
V.
Kamysbayev
,
Y.
Wang
,
P.
Guyot-Sionnest
, and
D. V.
Talapin
,
Nat. Mater.
19
,
323
(
2020
).
29.
J.
Jang
,
K.
Cho
,
S. H.
Lee
, and
S.
Kim
,
Nanotechnology
19
,
015204
(
2008
).
30.
C.
Livache
,
E.
Izquierdo
,
B.
Martinez
,
M.
Dufour
,
D.
Pierucci
,
S.
Keuleyan
,
H.
Cruguel
,
L.
Becerra
,
J. L.
Fave
,
H.
Aubin
,
A.
Ouerghi
,
E.
Lacaze
,
M. G.
Silly
,
B.
Dubertret
,
S.
Ithurria
, and
E.
Lhuillier
,
Nano Lett.
17
,
4067
(
2017
).
31.
C.
Gréboval
,
U.
Noumbe
,
N.
Goubet
,
C.
Livache
,
J.
Ramade
,
J.
Qu
,
A.
Chu
,
B.
Martinez
,
Y.
Prado
,
S.
Ithurria
,
A.
Ouerghi
,
H.
Aubin
,
J.-F.
Dayen
, and
E.
Lhuillier
,
Nano Lett.
19
,
3981
(
2019
).
32.
X.
Tang
,
M.
Chen
,
A.
Kamath
,
M. M.
Ackerman
, and
P.
Guyot-Sionnest
,
ACS Photonics
7
,
1117
(
2020
).
33.
Y.
Che
,
Y.
Zhang
,
X.
Cao
,
X.
Song
,
H.
Zhang
,
M.
Cao
,
H.
Dai
,
J.
Yang
,
G.
Zhang
, and
J.
Yao
,
Appl. Phys. Lett.
109
,
263101
(
2016
).
34.
X.
Song
,
Y.
Zhang
,
H.
Zhang
,
Y.
Yu
,
M.
Cao
,
Y.
Che
,
H.
Dai
,
J.
Yang
,
X.
Ding
, and
J.
Yao
,
Nanotechnology
28
,
145201
(
2017
).
35.
G.
Konstantatos
,
M.
Badioli
,
L.
Gaudreau
,
J.
Osmond
,
M.
Bernechea
,
F. P. G.
de Arquer
,
F.
Gatti
, and
F. H. L.
Koppens
,
Nat. Nanotechnol.
7
,
363
(
2012
).
36.
Y.
Zhang
,
X.
Song
,
R.
Wang
,
M.
Cao
,
H.
Wang
,
Y.
Che
,
X.
Ding
, and
J.
Yao
,
Nanotechnology
26
,
335201
(
2015
).
37.
M.
Grotevent
,
C. U.
Hail
,
S.
Yakunin
,
D.
Bachmann
,
M.
Calame
,
D.
Poulikakos
,
M. V.
Kovalenko
, and
I.
Shorubalko
, “
Colloidal HgTe quantum dot/graphene phototransistor with a spectral sensitivity beyond 3 μm
,” ChemRxiv (
2020
)
38.
X.
Tang
and
K. W. C.
Lai
,
ACS Appl. Nano Mater.
2
,
6701
(
2019
).
39.
N.
Huo
,
S.
Gupta
, and
G.
Konstantatos
,
Adv. Mater.
29
,
1606576
(
2017
).
40.
I.
Nikitskiy
,
S.
Goossens
,
D.
Kufer
,
T.
Lasanta
,
G.
Navickaite
,
F. H. L.
Koppens
, and
G.
Konstantatos
,
Nat. Commun.
7
,
11954
(
2016
).
41.
D.
Spirito
,
S.
Kudera
,
V.
Miseikis
,
C.
Giansante
,
C.
Coletti
, and
R.
Krahne
,
J. Phys. Chem. C
119
,
23859
(
2015
).
42.
Y.
Che
,
Y.
Zhang
,
X.
Cao
,
H.
Zhang
,
X.
Song
,
M.
Cao
,
Y.
Yu
,
H.
Dai
,
J.
Yang
,
G.
Zhang
, and
J.
Yao
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
9
,
32001
(
2017
).
43.
U. N.
Noumbé
,
C.
Gréboval
,
C.
Livache
,
T.
Brule
,
B.
Doudin
,
A.
Ouerghi
,
E.
Lhuillier
, and
J.-F.
Dayen
,
Adv. Funct. Mater.
29
,
1907462
(
2019
).
44.
S.
Keuleyan
,
E.
Lhuillier
, and
P.
Guyot-Sionnest
,
J. Am. Chem. Soc.
133
,
16422
(
2011
).
45.
C. L.
Wu
,
H.
Yuan
,
Y.
Li
,
Y.
Gong
,
H. Y.
Hwang
, and
Y.
Cui
,
Nano Lett.
18
,
2387
(
2018
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.