石墨烯/硅异质结光电探测器性能研究

发布时间：2021-01-09 15:20

　　光是信息的重要载体,光电探测器是目前光信息反馈应用中最为广泛的电子器件之一。纳米科技的发展为突破光电探测器中传统材料的瓶颈提供了新手段,而近年来石墨烯的出现更为光电探测材料注入了新的活力。然而,现有光电探测材料仍面临性能调控方式有限、资源稀缺等诸多问题。本文采用化学气相沉积法和氧化还原法制备了多层石墨烯薄膜和还原氧化石墨烯薄膜,与硅组装异质结光电探测器。当入射光照射到石墨烯/硅异质结上时,硅价带中的电子吸收光子能量跃迁到导带中产生电子-空穴对,被内建电场分离并导出至外电路后形成光电流以实现光探测。通过结构改进、性能优化和机制研究,显著提升了器件的光电探测性能。设计并实现了还原氧化石墨烯/硅异质结光电探测器,具有工艺简单、易于调控、可批量生产的优势,且性能位于同类器件前列,较好地解决了目前石墨烯/半导体异质结器件性能受限、制备效率低等问题。首先从异质结界面工程的角度,通过在石墨烯与硅之间的界面引入厚度可控的氧化层使器件的暗电流下降了两个量级以上,探测性能大为提升,开关比、探测度等性能与同类器件相比具有明显优势。对带有界面氧化层的器件模型和光电探测性能进行了系统研究,发现带有界面氧化层的器... 

【文章来源】：清华大学北京市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：123 页

【学位级别】：博士

【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 引言
    1.1 光电探测器
        1.1.1 光电探测器的原理及分类
        1.1.2 光电探测器的应用
        1.1.3 用于光电探测的半导体材料
    1.2 纳米材料在光电探测器中的应用
        1.2.1 量子点在光电探测器中的应用
        1.2.2 半导体纳米线在光电探测器中的应用
        1.2.3 碳纳米管在光电探测器中的应用
    1.3 石墨烯在光电探测器中的应用
        1.3.1 石墨烯简介
        1.3.2 石墨烯在光电探测器中的应用
    1.4 问题的提出
    1.5 研究内容与技术路线
第2章 实验方法
    2.1 化学气相沉积法制备石墨烯
        2.1.1 石墨烯的制备及转移
        2.1.2 石墨烯的表征
    2.2 器件模型及原理
        2.2.1 器件模型
        2.2.2 能带结构及工作原理
    2.3 光电探测器的性能指标
    2.4 主要检测手段及仪器设备
    2.5 本章小结
第3章 界面氧化层改进石墨烯/硅异质结光电探测器
    3.1 界面氧化层的引入
        3.1.1 界面氧化层的作用
        3.1.2 界面氧化层的厚度
    3.2 制备方法
    3.3 器件模型分析
    3.4 性能分析
        3.4.1 界面氧化层对探测器性能的改善
        3.4.2 光谱响应特性
        3.4.3 光强响应特性
        3.4.4 偏压及环境气氛对光电响应特性的影响
        3.4.5 光响应随入射光角度的变化
        3.4.6 光电响应的稳定性
        3.4.7 性能对比
    3.5 本章小结
第4章 二氧化钛纳米粒子增强石墨烯/硅异质结紫外探测
    4.1 二氧化钛的引入
        4.1.1 问题的提出
        4.1.2 材料的选择
    4.2 制备方法
        4.2.1 二氧化钛纳米粒子的制备
        4.2.2 器件的组装
    4.3 二氧化钛纳米粒子对器件紫外探测性能的影响
        4.3.1 光电转换性能的改善
        4.3.2 光电响应特性的改善
        4.3.3 量子效率的改善
    4.4 能带结构及机制分析
    4.5 二氧化钛层厚度的影响
    4.6 其它探测性能
        4.6.1 响应时间与回复时间
        4.6.2 光电响应的稳定性
    4.7 本章小结
第5章 还原氧化石墨烯/硅异质结光电探测器
    5.1 还原氧化石墨烯的引入
        5.1.1 问题的提出
        5.1.2 从氧化石墨烯到还原氧化石墨烯
    5.2 制备方法
    5.3 还原温度的选择
        5.3.1 还原温度对还原氧化石墨烯薄膜性质的影响
        5.3.2 还原温度对器件性能的影响
        5.3.3 性能对比
    5.4 器件在不同工作条件下的性能
        5.4.1 空气和真空中的性能
        5.4.2 不同工作温度下的性能
    5.5 还原氧化石墨烯 /硅异质结的结特性研究
    5.6 还原氧化石墨烯 /硅异质结的 1/f噪声特性研究
        5.6.1 空气和真中的 1/f噪声
        5.6.2 不同入射光功率下的 1/f噪声
        5.6.3 不同温度下的 1/f噪声
    5.7 还原氧化石墨烯 /硅光电探测器在气体识别中的应用
        5.7.1 官能化石墨烯在分子识别中的应用
        5.7.2 伏安特性在不同气体中的变化
        5.7.3 电流响应在不同气体中的变化
        5.7.4 电流响应随气体流量的变化
        5.7.5 电流响应随气体浓度的变化
        5.7.6 电流响应随时间和偏压的变化
    5.8 本章小结
第6章 结论
参考文献
致谢
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果


【参考文献】：
期刊论文
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[3]远距离紫外火灾探测系统的设计[J]. 董政,黄大贵,陈伟.  消防科学与技术. 2010(11)
[4]In（Ga）As量子点红外探测器[J]. 唐光华,徐波,王占国.  微纳电子技术. 2009(10)
[5]红外探测材料的发展状况及未来发展[J]. 张春霞,张鹏翔.  云南冶金. 2004(01)
[6]碲镉汞材料与红外探测技术的发展[J]. 田莳.  航空兵器. 2003(01)
[7]红外夜视系统进展及应用前景研究[J]. 赵选科,何俊发,郭晓松.  武警工程学院学报. 2000(04)
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[9]光电导效应及其应用[J]. 陈宜生,张立升.  物理通报. 1994(06)



本文编号：2966910