高性能硅量子點石墨烯硅基光電探測器的研究.pdf

1、石墨烯獨特的零帶隙能帶結(jié)構(gòu)，使其從紫外到中紅外很寬的頻帶內(nèi)可以產(chǎn)生光生電子空穴對，且石墨烯內(nèi)部的光學(xué)躍遷可以將光吸收范圍拓寬至遠紅外，甚至太赫茲波段。憑借其優(yōu)異的光學(xué)特性和電導(dǎo)率，石墨烯在光電探測方面有著廣闊的應(yīng)用前景。由于硅材料豐富的存儲量和無毒性，硅基光電探測器成為光電探測器中研究最廣的成員之一。目前，對硅基光電探測器的研究逐步成熟，制備工藝日趨完善，但是硅基光電探測器存在許多不足，如探測器的制備存在一定的技術(shù)瓶頸，探測器的探測信號

2、較弱，探測范圍僅300-1100 nm等。因而，如何提高硅基光電探測器的性能成為亟待解決的問題?？茖W(xué)家們嘗試使用摻雜來提高材料的性能，其中化學(xué)摻雜是最受歡迎的摻雜方法之一，但是化學(xué)摻雜不穩(wěn)定，并且在摻雜過程中可能會對石墨烯造成破壞。另一方面，作為最重要的半導(dǎo)體材料的另一種類型，納米尺寸的硅即硅量子點（Si-QDs）近年來獲得了越來越多的關(guān)注。量子限域效應(yīng)表明當(dāng)量子點的粒徑小于玻爾半徑時，會具有異于體硅材料的能帶結(jié)構(gòu)和發(fā)光特性，這些特性使

3、得硅量子點成為極其重要的熒光材料之一。而硼摻雜硅量子點在中紅外波段有較強的吸收峰，這些特性使得量子點在光電探測方面有應(yīng)用潛能。
　　本文通過兩種器件類型研究Si-QDs與石墨烯之間的相互作用，提高光電探測器的光電性能。主要研究成果如下：
　?。ㄒ唬┭芯苛?Gr/Si肖特基結(jié)光電探測器的工作原理，石墨烯/硅在接觸界面形成肖特基結(jié)，入射光照射后，在內(nèi)建電場作用下光生電子空穴對分離，空穴向石墨烯轉(zhuǎn)移，電子被硅收集，形成光生電流。通

4、過公式擬合，計算出Gr/Si肖特基結(jié)的相關(guān)參數(shù)。并在此工藝基礎(chǔ)上，用量子點對Gr/Si探測器進行性能優(yōu)化，制備出Si-QDs/Gr/Si光電探測器，器件的性能優(yōu)異。當(dāng)入射光波長405 nm，功率密度為0.1 mW/cm2，測得的光電流約為91 nA，響應(yīng)度約為0.36 A/W。同時本文也對器件的響應(yīng)速度進行測試，其中零偏壓下時間響應(yīng)為25 ns。
　?。ǘ┰?Si-QDs/Gr/Si探測器制備工藝的基礎(chǔ)上，本文簡化了工藝流程，將

5、石墨烯轉(zhuǎn)移到帶有氧化硅襯底上并圖形化，旋涂量子點，獲得摻硼硅量子點/石墨烯超高增益寬頻譜光電導(dǎo)探測器。其工作原理為：B-SiQDs本身對石墨烯 n型摻雜，光照下 p型摻雜，增加光吸收，提高光響應(yīng)。經(jīng)計算可得，響應(yīng)度為109 A/W(入射波長532 nm，光功率密度為0.2μW/cm2)，增益Gain高達1012，并且在375-1870 nm全波段內(nèi)響應(yīng)極高。同時在中紅外波段（2.6-3.6μm）也有響應(yīng)，主要由于 B-SiQDs在這一波