基于SiC外延石墨烯的紫外光电探测器研究

发布时间：2020-04-10 20:03

【摘要】：石墨烯具有高的载流子迁移率、良好的导电性以及紫外到近红外宽的光谱响应,使其在超快宽谱响应的光电探测器和透明导电电极领域中具有非常重要的应用。SiC外延石墨烯作为制备高质量石墨烯的主要方法之一,具有无需转移、可生长晶片尺寸的均匀石墨烯、热稳定性好以及与现代半导体工艺相兼容等优点。同时,宽禁带半导体SiC是制备高性能紫外光电探测器的理想材料之一,而紫外探测器在军事和国民经济中都具有十分重要的应用。目前,在基于石墨烯的光电探测器的研究中,人们为了克服石墨烯光吸收弱导致器件响应度低的缺点,提出了多种不同材料搭配或改进器件结构。在这些方法之中,将支撑石墨烯的衬底作为光吸收介质增强石墨烯中光生载流子的设计是一种简单、实用和有效的方法。另外,高透过率和良好的导电性使得石墨烯可作为光电探测器的电极材料使用。所以,将具有优异物理性质的SiC和石墨烯结合起来,可在SiC外延石墨烯上开发高性能且高度集成的紫外光电探测器。基于上述对材料优势的分析,本文开展了基于SiC外延石墨烯紫外光电探测器的研究,取得的主要研究结果如下:(1)提出了一种简单的氧化铟锡-石墨烯-氧化铟锡平面结构器件,当采用325 nm紫外光局域辐照器件的其中一个石墨烯-氧化铟锡电极界面时,器件呈现出一种新颖的光电流整流效应。该光电流行为与垂直结构的石墨烯/半导体结光电二极管类似,但与传统平面结构的金属-石墨烯-金属器件完全不同。器件具有两种工作模式:在施加偏置电压的情况下可以作为平面紫外光电二极管,0.3 V时的响应度为11.7 mA/W;在零偏压下可以作为自供电的紫外光电探测器,响应度为4.4 mA/W。在本研究的测试激光功率范围内,器件的光电流随光功率呈线性变化的范围接近3个数量级,具有较宽的动态光响应范围。同时,该器件具有接近GHz的响应频率。该高频石墨烯平面紫外光电二极管可与石墨烯基器件集成在同一个SiC基片上,有望实现在高频光电子集成电路中的应用。(2)制备了具有不同长宽比的外延石墨烯沟道的金属电极和外延石墨烯电极平面结构器件,研究了石墨烯沟道的长宽比对器件光电性能的影响。实验发现,暗场下的器件电阻随着长宽比的增加而单调增加;采用紫外光局域辐照外延石墨烯与金属电极的边界时,器件在零偏压下的光电压随着外延石墨烯沟道长宽比的增加而单调增加;由于石墨烯的高透光率使得外延石墨烯电极器件的光电流和响应度均高于金属电极器件。同时,随着外延石墨烯沟道长宽比的增加,上述两类器件都出现了与氧化铟锡-石墨烯-氧化铟锡器件相同的光电流整流效应,且随着外延石墨烯沟道长宽比的增加,光电流整流效应越明显。对于上述新颖的光电性能,本论文提出了一种模型对其进行了合理的解释。(3)论证了一种响应度和响应速度随偏置电压具有很大可调节范围的简单垂直结构的外延石墨烯/n型SiC肖特基紫外光电二极管。实验结果发现,当反向偏置电压在0到-5 V电压范围内变化时,器件响应时间具有从几十纳秒到毫秒约7个数量级的调节范围,而响应度具有约3个数量级的调节范围。在-5 V偏置电压和光功率为50μW且波长为325 nm的紫外光作用下,由于器件内陷阱态诱导的内部增益机制的存在,使其具有2.18 A/W的高响应度和832%的外部量子效率,远优于传统金属/SiC的肖特基紫外光电二极管。该器件响应度和响应时间高度可调的特点有望应用于不同的紫外光探测领域。(4)采用简单的制备方法,以聚合物聚甲基丙烯酸甲酯为栅绝缘介质层,在SiC外延石墨烯上分别成功制备了金属顶栅和氧化铟锡顶栅场效应晶体管。对于金属顶栅器件,为了增加SiC衬底对紫外光的吸收,顶栅宽度相对于石墨烯沟道长度的占比仅为0.38。在本研究测试的栅压范围内,器件场效应迁移率为170cm~2.V~(-1).s~(-1)。在栅压为-50 V,源漏电压为0.5 V,且紫外激光功率为1 mW时,最大响应度约为17 mA/W。而占比为1的透明氧化铟锡顶栅器件较好地解决了金属顶栅占比小和透光性差的缺点,展示出更好的场效应光电晶体管特性。在本研究测试的栅压范围内,器件最大场效应迁移率为718 cm~2.V~(-1).s~(-1),优于目前采用聚合物做栅绝缘层的SiC外延石墨烯顶栅场效应晶体管的研究报道。在栅压为42 V,源漏电压为0.2 V,且紫外激光功率为1 mW的测试条件下,最大响应度为43 mA/W。该响应度是在较低的源漏电压和相同的激光功率测试条件下本论文中所有器件最佳的性能。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ127.11;TN23

【相似文献】