發(fā)布時間：2020-04-10 20:03

【摘要】：石墨烯具有高的載流子遷移率、良好的導(dǎo)電性以及紫外到近紅外寬的光譜響應(yīng),使其在超快寬譜響應(yīng)的光電探測器和透明導(dǎo)電電極領(lǐng)域中具有非常重要的應(yīng)用。SiC外延石墨烯作為制備高質(zhì)量石墨烯的主要方法之一,具有無需轉(zhuǎn)移、可生長晶片尺寸的均勻石墨烯、熱穩(wěn)定性好以及與現(xiàn)代半導(dǎo)體工藝相兼容等優(yōu)點。同時,寬禁帶半導(dǎo)體SiC是制備高性能紫外光電探測器的理想材料之一,而紫外探測器在軍事和國民經(jīng)濟中都具有十分重要的應(yīng)用。目前,在基于石墨烯的光電探測器的研究中,人們?yōu)榱丝朔┕馕杖鯇?dǎo)致器件響應(yīng)度低的缺點,提出了多種不同材料搭配或改進器件結(jié)構(gòu)。在這些方法之中,將支撐石墨烯的襯底作為光吸收介質(zhì)增強石墨烯中光生載流子的設(shè)計是一種簡單、實用和有效的方法。另外,高透過率和良好的導(dǎo)電性使得石墨烯可作為光電探測器的電極材料使用。所以,將具有優(yōu)異物理性質(zhì)的SiC和石墨烯結(jié)合起來,可在SiC外延石墨烯上開發(fā)高性能且高度集成的紫外光電探測器�；谏鲜鰧Σ牧蟽�(yōu)勢的分析,本文開展了基于SiC外延石墨烯紫外光電探測器的研究,取得的主要研究結(jié)果如下:(1)提出了一種簡單的氧化銦錫-石墨烯-氧化銦錫平面結(jié)構(gòu)器件,當(dāng)采用325 nm紫外光局域輻照器件的其中一個石墨烯-氧化銦錫電極界面時,器件呈現(xiàn)出一種新穎的光電流整流效應(yīng)。該光電流行為與垂直結(jié)構(gòu)的石墨烯/半導(dǎo)體結(jié)光電二極管類似,但與傳統(tǒng)平面結(jié)構(gòu)的金屬-石墨烯-金屬器件完全不同。器件具有兩種工作模式:在施加偏置電壓的情況下可以作為平面紫外光電二極管,0.3 V時的響應(yīng)度為11.7 mA/W;在零偏壓下可以作為自供電的紫外光電探測器,響應(yīng)度為4.4 mA/W。在本研究的測試激光功率范圍內(nèi),器件的光電流隨光功率呈線性變化的范圍接近3個數(shù)量級,具有較寬的動態(tài)光響應(yīng)范圍。同時,該器件具有接近GHz的響應(yīng)頻率。該高頻石墨烯平面紫外光電二極管可與石墨烯基器件集成在同一個SiC基片上,有望實現(xiàn)在高頻光電子集成電路中的應(yīng)用。(2)制備了具有不同長寬比的外延石墨烯溝道的金屬電極和外延石墨烯電極平面結(jié)構(gòu)器件,研究了石墨烯溝道的長寬比對器件光電性能的影響。實驗發(fā)現(xiàn),暗場下的器件電阻隨著長寬比的增加而單調(diào)增加;采用紫外光局域輻照外延石墨烯與金屬電極的邊界時,器件在零偏壓下的光電壓隨著外延石墨烯溝道長寬比的增加而單調(diào)增加;由于石墨烯的高透光率使得外延石墨烯電極器件的光電流和響應(yīng)度均高于金屬電極器件。同時,隨著外延石墨烯溝道長寬比的增加,上述兩類器件都出現(xiàn)了與氧化銦錫-石墨烯-氧化銦錫器件相同的光電流整流效應(yīng),且隨著外延石墨烯溝道長寬比的增加,光電流整流效應(yīng)越明顯。對于上述新穎的光電性能,本論文提出了一種模型對其進行了合理的解釋。(3)論證了一種響應(yīng)度和響應(yīng)速度隨偏置電壓具有很大可調(diào)節(jié)范圍的簡單垂直結(jié)構(gòu)的外延石墨烯/n型SiC肖特基紫外光電二極管。實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn),當(dāng)反向偏置電壓在0到-5 V電壓范圍內(nèi)變化時,器件響應(yīng)時間具有從幾十納秒到毫秒約7個數(shù)量級的調(diào)節(jié)范圍,而響應(yīng)度具有約3個數(shù)量級的調(diào)節(jié)范圍。在-5 V偏置電壓和光功率為50μW且波長為325 nm的紫外光作用下,由于器件內(nèi)陷阱態(tài)誘導(dǎo)的內(nèi)部增益機制的存在,使其具有2.18 A/W的高響應(yīng)度和832%的外部量子效率,遠優(yōu)于傳統(tǒng)金屬/SiC的肖特基紫外光電二極管。該器件響應(yīng)度和響應(yīng)時間高度可調(diào)的特點有望應(yīng)用于不同的紫外光探測領(lǐng)域。(4)采用簡單的制備方法,以聚合物聚甲基丙烯酸甲酯為柵絕緣介質(zhì)層,在SiC外延石墨烯上分別成功制備了金屬頂柵和氧化銦錫頂柵場效應(yīng)晶體管。對于金屬頂柵器件,為了增加SiC襯底對紫外光的吸收,頂柵寬度相對于石墨烯溝道長度的占比僅為0.38。在本研究測試的柵壓范圍內(nèi),器件場效應(yīng)遷移率為170cm~2.V~(-1).s~(-1)。在柵壓為-50 V,源漏電壓為0.5 V,且紫外激光功率為1 mW時,最大響應(yīng)度約為17 mA/W。而占比為1的透明氧化銦錫頂柵器件較好地解決了金屬頂柵占比小和透光性差的缺點,展示出更好的場效應(yīng)光電晶體管特性。在本研究測試的柵壓范圍內(nèi),器件最大場效應(yīng)遷移率為718 cm~2.V~(-1).s~(-1),優(yōu)于目前采用聚合物做柵絕緣層的SiC外延石墨烯頂柵場效應(yīng)晶體管的研究報道。在柵壓為42 V,源漏電壓為0.2 V,且紫外激光功率為1 mW的測試條件下,最大響應(yīng)度為43 mA/W。該響應(yīng)度是在較低的源漏電壓和相同的激光功率測試條件下本論文中所有器件最佳的性能。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院物理研究所)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TQ127.11;TN23

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