石墨烯与砷化镓异质结光电器件的研究

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石墨烯(Graphene)单原子层的厚度,对光的本征吸收很低,这使得仅仅依靠石墨烯本身,很难获得高性能的光电器件。砷化镓(GaAs)是Ⅲ-Ⅴ族半导体材料,具有与金刚石相似的闪锌矿结构,它是一个直接带隙半导体,禁带宽度为1.42 eV。砷化镓中电子迁移率很高,大约为硅的6倍,并且它的饱和电子漂移速度极高。Graphene与GaAs接触,由于两者功函数存在差异,在两者接触界面处会形成肖特基结,利用该肖特基结制备出的器件,对光有很强的吸收,并且能够产生很强的光电响应。本文首先制备了Graphene/GaAs肖特基结二极管,研究了其暗电流特性,以及光电响应。实验发现肖特基结势垒和理想因子,都受到温度的影响,而且该肖特基结能够产生很强的光电响应,零偏压下,响应率可达到4.59 mA/W,探测率可达到2.29×10100 cm Hz1/2/2 W-1,且开关比可达到103;其次,制备了Graphene/GaAs近红外探测器,研究了其光电响应,发现其在可见光和近红外波段,都有较强的光电响应,并可实现栅压对光电响应的调控。并在器件中引入InAs量子点结构,讨论了Graphene/InAs QDs/GaAs异质结复合结构对光电响应的影响。同时,进一步将Graphene与GaAs基高迁移率晶体管(HEMT)相结合,利用Graphene与GaAs界面处的异质结势阱,所形成的二维电子气,通过栅极电压对沟道内二维电子气浓度的调控机制,综合了Graphene的光热电效应、Graphene/GaAs异质结的非对称性,以及等离子体波HEMT的非共振响应,制备了一种在微波和太赫兹波段都能产生很强的光电响应的探测器。通过偏压的调控,该器件在微波和太赫兹波段的入射光照射下,可分别产生6.16μA和0.113μA的光电流,响应率分别可达到2.3×104 V/W和1.105×103 V/W,噪声等效功率分别为8.66×10-11W Hz-1/2和4×10-12W Hz-1/2。通过制备Graphene/Ga As肖特基二极管、Graphene/InAs QDs/GaAs异质结复合结构近红外探测器以及Graphene/GaAs基HEMT太赫兹探测器,及相应的实验讨论分析,验证了Graphene/GaAs异质结结构在可见光、近红外、微波以及太赫兹波段的宽谱光电响应和丰富的响应机理。这充分展现出基于Graphene/GaAs异质结结构的光电器件的巨大潜在优势,为未来异质结超宽光谱光电响应器件的研究与应用提供了良好的平台。
摘要第4-5页
Abstract第5-6页
第1章 绪论第9-21页
    1.1 前言第9-10页
    1.2 石墨烯-砷化镓肖特基结第10-17页
    1.3 高电子迁移率晶体管(HEMT)第17-20页
    1.4 本文主要研究内容第20-21页
第2章 石墨烯-砷化镓肖特基结二极管的研究第21-33页
    2.1 引言第21-22页
    2.2 石墨烯-砷化镓肖特基二极管的制备第22-25页
    2.3 制备工艺及参数第25页
    2.4 二极管的测试结果与分析第25-32页
    2.5 本章小结第32-33页
第3章 石墨烯-砷化镓肖特基结近红外探测器的研究第33-46页
    3.1 引言第33-34页
    3.2 器件的结构及制备工艺第34-35页
    3.3 石墨烯光电探测器的工作机理第35-36页
    3.4 Graphene/InAsQDs/GaAs近红外探测器的光电特性研究第36-42页
    3.5 Graphene/GaAs近红外探测器的光电特性研究第42-45页
    3.6 本章小结第45-46页
第4章 石墨烯-砷化镓HEMT微波及太赫兹响应的研究第46-58页
    4.1 引言第46-48页
    4.2 器件的结构与制备工艺第48-49页
        4.2.1 器件结构图第48页
        4.2.2 器件制备工艺第48-49页
    4.3 测试装置原理图第49页
    4.4 测试结果及分析第49-57页
        4.4.1 石墨烯沟道电阻第49-50页
        4.4.2 转移特性曲线第50页
        4.4.3 微波响应测试第50-54页
        4.4.4 太赫兹响应测试第54-56页
        4.4.5 结果分析第56-57页
    4.5 本章小结第57-58页
第5章 总结与展望第58-61页
    5.1 总结第58-59页
    5.2 展望第59-61页
参考文献第61-69页
攻读学位期间取得的研究成果第69-70页
致谢第70页
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