基于化学气相沉积法生长石墨烯的光电探测器

发布时间：2017-09-02 17:24

  本文关键词：基于化学气相沉积法生长石墨烯的光电探测器

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【摘要】：无论对于电子器件还是光电器件来说,石墨烯都是很有前景的一种材料。零带隙的结构,使石墨烯可以在很宽的能量频谱范围内(如紫外光、可见光、红外光甚至太赫兹)吸收光。石墨烯还具有极高的载流子迁移率,可以用于制备超快探的光电器件。现有的石墨烯光电探测器大多采用机械剥离石墨的方法获得石墨烯,不利于批量生产和应用。响应度也比较低,因而在测试中使用聚焦激光束。本文采用的是金属催化CVD生长的石墨烯,利用场效应背栅结构制备了石墨烯红外光电探测器。研究了器件结构设计、制备工艺和测试及器件响应机理。器件有较高的响应度,在非聚焦红外激光和可见光下有明显的光响应。本文主要的研究内容如下:(1)探测器所用石墨烯由金属催化CVD生长,针对生长过程中所使用的不同催化剂金属,研究了转移工艺的多个环节,如涂胶、烘烤、腐蚀和清洗。解决了石墨烯破损和污染所带来的狄拉克点移动、迁移率变化等问题,得到了合适的转移石墨烯工艺,并用场效应和拉曼测试的方法检验转移石墨烯的质量。(2)设计了场效应背栅结构的石墨烯光电探测器,确定了探测器的关键结构参数,如栅氧化层厚度,各电极间距,电极与石墨烯接触的大小。研究了石墨烯受光部分形状对探测性能的影响,虽然石墨烯长宽比较大的器件响应时间快、光电流与暗电流的比值也较大,但工艺难度更大,经实验最终确定了合适的尺寸。(3)研究了提高器件可靠性的方法。因电极台阶过高,可能对石墨烯薄膜造成断裂或破损等问题。为此提出了一种平面电极的制作方法,有效地克服了这一问题。(4)研究了器件的光电响应。选用790nm红外激光和白光作为测试光源,发现只有在施加源、漏偏置时,才有明显的光电响应,光电流与偏置成正比。通过理论分析与计算,认为光电流产生的机理主要是光电导效应和热辐射效应同时在起作用。响应大小与背栅压有关,不同栅压下,起主导作用的机理不同。在正栅压15V以上时,光电流为正值,此时光电导起主要作用。而正栅压在15V以下及负栅压时,光电流为负值,此时热辐射效应起主要作用。在正栅电压使石墨烯的费米能级处于达狄拉克点时,光电流信号为正向最大值。在790nm的红外激光功率密度为500mW/cm2,光源距离器件1cm条件下,正向光电流为最大值9.23μA,计算得到器件的响应度为104mA/W。
【关键词】：石墨烯 CVD 光电探测器
【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN15
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-24
• 1.1 石墨烯简介10-12
• 1.1.1 石墨烯的发现10
• 1.1.2 石墨烯的晶体结构10-11
• 1.1.3 石墨烯的能带结构11
• 1.1.4 石墨烯的性质11-12
• 1.2 石墨烯的制备方法12-13
• 1.2.1 机械剥离法12
• 1.2.2 氧化还原法12
• 1.2.3 碳化硅外延法12-13
• 1.2.4 化学气相沉积法13
• 1.3 石墨烯的表征13-15
• 1.3.1 光学显微镜13-14
• 1.3.2 拉曼光谱14
• 1.3.3 原子力显微镜14-15
• 1.4 石墨烯光电探测器的研究现状15-21
• 1.4.1 光伏效应15-17
• 1.4.2 光热电效应17-19
• 1.4.3 热辐射效应19-21
• 1.5 论文内容安排及主要工作21-24
• 第2章 CVD法生长的石墨烯与转移24-32
• 2.1 CVD法生长的石墨烯原理24-27
• 2.1.1 在镍（Ni）表面生长石墨烯24-25
• 2.1.2 在铜（Cu）表面生长石墨烯25-26
• 2.1.3 两种生长机制的比较26-27
• 2.2 石墨烯的转移27-30
• 2.2.1 腐蚀基底法转移27-29
• 2.2.2 鼓泡法转移29-30
• 2.3 本章小结30-32
• 第3章 石墨烯光电探测器的工艺研究32-42
• 3.1 主要工艺的介绍32-36
• 3.2 器件尺寸的设计36-37
• 3.3 器件的工艺流程37-39
• 3.4 器件制作过程中的注意事项39-40
• 3.5 本章小结40-42
• 第4章 石墨烯光电探测器的测试与分析42-52
• 4.1 石墨烯的场效应测试42-44
• 4.2 石墨烯光电探测器的测试44-46
• 4.3 分析与讨论46-50
• 4.4 本章小结50-52
• 结论52-54
• 参考文献54-58
• 攻读硕士学位期间所发表的学术论文58-60
• 致谢60

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本文编号：779899