石墨烯光电探测器件的制备及性能研究

发布时间：2017-05-09 22:06

  本文关键词：石墨烯光电探测器件的制备及性能研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：自2004年,英国科学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖罗夫采用微机械剥离法首次从高定向热解石墨中剥离出单层石墨烯以来,因其优异的光学和电学性能,立即在材料科学、半导体电子器件等领域掀起了极大的研究热情。石墨烯具有超高的载流子迁移率以及优异的机械性能和导热性能,单层石墨烯的透光率高达97.7%,能够对可见光到太赫兹波段的光谱范围进行吸收。故石墨烯材料在非制冷、宽光谱、高响应度以及超快光电探测方面具有广阔的应用前景。因此,文章对石墨烯场效应结构光电探测器件的制备及性能进行了研究。论文采用化学气相沉积法在铜箔上获得了单层的高质量石墨烯薄膜,并使用过硫酸铵将石墨烯无损转移到SiO_2/Si衬底上用于器件制备。通过扫描电子显微镜、拉曼光谱以及四探针等对石墨烯薄膜的形貌、厚度和方阻等进行了表征。其次,对器件制备的关键工艺进行了深入研究,完成了石墨烯光电探测器件的制备。优化研究了石墨烯图形化、光刻胶选择、金属电极的蒸镀与剥离以及退火等工艺。再次,应用Keithley 4200-SCS型半导体性能测试设备和635nm的激光光源对石墨烯光电探测器件的光电性能进行了测试分析,获得了常规双极型曲线,并对影响石墨烯电学特性的因素,如二氧化硅衬底材料、薄膜材料表面掺杂情况以及金属/石墨烯的接触等进行了分析。同时,也对石墨烯的光学性质、光电流产生方式以及光学性能进行了简单分析与研究。此外,对石墨烯/硅基肖特基结光电探测器件的制备及性能进行了研究,主要介绍了石墨烯/硅基异质结光电探测器件的制备、器件的工作原理以及器件的性能,得到了器件在有无光照下的I-V曲线和器件在有无光照情况下明暗电流的比值,以及器件在低温下的电流变化情况。文章为石墨烯光电探测器件的进一步研究提供了可靠的工艺参考,为后续研究高性能、多样化的光电器件奠定了实验基础。
【关键词】：石墨烯 光电探测器件 化学气相沉积 关键工艺 场效应结构 肖特基结 光电性能
【学位授予单位】：重庆理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN15
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 1 引言10-26
• 1.1 石墨烯光电探测器的概述11-21
• 1.1.1 石墨烯的发现11
• 1.1.2 石墨烯的形态结构11-12
• 1.1.3 石墨烯的性能简介12-15
• 1.1.4 石墨烯的制备方法15-17
• 1.1.5 石墨烯光电探测器的概述17-18
• 1.1.6 石墨烯光电探测器的器件结构18-20
• 1.1.7 石墨烯光电探测器的工作原理20-21
• 1.2 石墨烯光电探测器的应用前景与研究现状21-22
• 1.2.1 石墨烯光电探测器的应用前景21
• 1.2.2 石墨烯光电探测器的研究现状21-22
• 1.3 光电探测器的噪声和品质因数22-23
• 1.3.1 光电探测器件的噪声22-23
• 1.3.2 光电探测器件的品质因数23
• 1.4 本论文研究目标与内容23-26
• 1.4.1 论文研究目标23
• 1.4.2 论文研究内容与结构安排23-26
• 2 石墨烯薄膜的CVD法制备与结构表征26-40
• 2.1 实验所需设备与材料26-27
• 2.1.1 实验所需设备26
• 2.1.2 实验所需材料26-27
• 2.2 石墨烯薄膜的制备及转移27-31
• 2.2.1 石墨烯薄膜的CVD生长工艺研究27-29
• 2.2.2 石墨烯的转移29-31
• 2.3 石墨烯薄膜的表征31-39
• 2.3.1 光学显微镜分析32
• 2.3.2 原子力显微表征32-33
• 2.3.3 扫描电子显微镜表征33-35
• 2.3.4 拉曼光谱表征35-36
• 2.3.5 方阻表征36-38
• 2.3.6 透过率表征38-39
• 2.4 本章小结39-40
• 3 石墨烯场效应结构光电探测器件制备的工艺研究40-50
• 3.1 光刻工艺及正胶的选择40-42
• 3.2 石墨烯薄膜的图形化工艺42-43
• 3.3 石墨烯与金属的接触工艺研究43
• 3.4 金属蒸发剥离工艺研究43-45
• 3.5 退火对器件性能的影响45
• 3.6 石墨烯场效应结构光电探测器的制备45-48
• 3.7 本章小结48-50
• 4 石墨烯场效应结构光电探测器件的电学与光学特性研究50-62
• 4.1 硅基石墨烯场效应结构光电探测器的制备与工作原理50-51
• 4.2 测试设备和测试条件51-52
• 4.3 石墨烯场效应结构光电探测器件的电学性能研究52-58
• 4.3.1 石墨烯的电阻特性52-53
• 4.3.2 双极型转移特性曲线53-56
• 4.3.3 双极型电学特性的机理分析56-58
• 4.4 石墨烯场效应结构光电探测器件的光学特性研究58-61
• 4.4.1 石墨烯的光学性质58-59
• 4.4.2 石墨烯中光电流的产生方式59
• 4.4.3 器件的电学特性测试59-61
• 4.5 本章小结61-62
• 5 石墨烯/硅异质结光电探测器件的制备及性能研究62-68
• 5.1 异质结光电探测器件的制备与所需测试设备62-64
• 5.1.1 所需测试设备62
• 5.1.2 石墨烯/硅基异质结结构光电探测器件的制备62-64
• 5.2 石墨烯/硅异质结光电探测器件结构64
• 5.3 石墨烯/硅异质结光电探测器件的工作原理64-65
• 5.4 石墨烯/硅异质结光电探测器件的性能测试65-67
• 5.5 本章小结67-68
• 6 总结与展望68-71
• 6.1 论文工作总结68-69
• 6.2 论文研究工作主要创新点69
• 6.3 未来研究工作的展望69-71
• 致谢71-73
• 参考文献73-79
• 个人简历、在学期间发表的学术论文及取得的研究成果79-80

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