石墨烯场效应晶体管太赫兹光电特性研究

发布时间：2018-11-14 10:49

【摘要】：太赫兹波是介于红外与微波或毫米波之间的频谱范围,太赫兹科学技术在物理成像、环境监测、生物医学、军事等方面具有广泛的应用前景。近年来,基于双层石墨烯异质结构的共振隧穿机制以及等离子体振荡在太赫兹方面的应用引起了人们的兴趣。本文运用隧穿理论中的巴丁传输哈密顿方法、流体动力学方程与泊松方程的耦合模型,利用具有高电子迁移率和栅极调控沟道的二维电子/空穴等离子体的双层石墨烯晶体管对称异质结构,激发等离子体波振荡,实现太赫兹波段的调制和探测是我们研究的目的。论文主要的研究内容和结论包括:第一,我们利用电荷守恒结合石墨烯量子电容,以及两层石墨烯狄拉克点在同一水平线的条件,推导出石墨烯准费米能级与栅电压的关系式。研究石墨烯-势垒-石墨烯三明治结构非线性电流电压特性,特别是对双层石墨烯产生共振隧穿电流及其附近的电流分布进行讨论,讨论了稳恒直流下产生的等离子体波速以及共振等离子体特征频率的关系,并加入了小信号模型,推导双层石墨烯共振隧穿结构下的动态负微分电导关系。第二,设计了双层石墨烯晶体管结构,通过计算分析,确定了势垒层近似两个原子层的厚度0.5 nm,这一结果同时也得到相关理论研究的支持。以高介电常数材料作为栅氧化层,以六方氮化硼作为势垒层。在直流共振隧穿机制下,器件的电流开关比ion/ioff可以达到106以上。其次,重点研究了在特定的结构参数和小信号模式下,器件产生的动态负微分电导分布。计算结果表明,当载流子碰撞频率达到特定频率时,可以获得比较明显的负微分电导峰值。通过调节栅电压准费米能级的位置,准费米能级越小,在确定的结构下获得负微分电导峰值越高,但相应的共振等离子体特征频率较小。同时改变载流子碰撞频率以及准费米能级的位置,可以改善负微分电导的分布,在较高的石墨烯碰撞频率以及准费米能级中获得更明显的负微分电导峰值。改变石墨烯相干长度的大小,可以在较短的长度下获得尖锐的负电导峰值,同时还可以提高等离子体波产生的太赫兹频率。负微分电导的产生可以激发沟道的等离子体波,增强等离子体振荡,减小朗道衰减,实现对太赫兹频率探测放大以及辐射放大。第三,采用天线结构将电磁波信号频率作为器件源漏两端入射频率,使得器件两端感生交流信号激发等离子体波,并使得石墨烯沟道内产生的等离子体波与外来电磁辐射的入射频率产生共振效应,增强等离子体振荡,最终达到探测的目的。计算结果表明,对于固定的结构参数,在足够小的沟道载流子碰撞频率下,可以获得尖锐的响应率最大峰值,响应率甚至可以超过直流共振隧穿下的特征响应率,响应率最高可以达到107v/w。在不同石墨烯相干长度下探测器响应率随信号频率的变化情况,表明了在一定范围内增加长度,其峰值减小幅度不大。适当增加栅极电压,可以获得对外来信号探测更为明显的响应率。总的来说,通过我们设计的结构参数,计算在入射频率下的太赫兹探测响应率可以达到105 V/W以上,说明了双层石墨烯隧穿异质结在太赫兹探测方面有着潜在的发展前景。此外,基于石墨烯等离子体与光子的耦合形成表面等离子体激元,我们还研究了在太赫兹电磁波辐射下,仿真器件对光波的吸收透过率。仿真结果可以适当地提高光的吸收率,表明了该三明治结构式器件在光探测以及调制方面的潜在应用。
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【学位授予单位】：东华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN386

【参考文献】