高性能硅量子點(diǎn)石墨烯硅基光電探測(cè)器的研究.pdf

1、石墨烯獨(dú)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(duì)，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(yuǎn)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(cè)方面有著廣闊的應(yīng)用前景。由于硅材料豐富的存儲(chǔ)量和無毒性，硅基光電探測(cè)器成為光電探測(cè)器中研究最廣的成員之一。目前，對(duì)硅基光電探測(cè)器的研究逐步成熟，制備工藝日趨完善，但是硅基光電探測(cè)器存在許多不足，如探測(cè)器的制備存在一定的技術(shù)瓶頸，探測(cè)器的探測(cè)信號(hào)

2、較弱，探測(cè)范圍僅300-1100 nm等。因而，如何提高硅基光電探測(cè)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(huì)對(duì)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(diǎn)（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(diǎn)的粒徑小于玻爾半徑時(shí)，會(huì)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(diǎn)成為極其重要的熒光材料之一。而硼摻雜硅量子點(diǎn)在中紅外波段有較強(qiáng)的吸收峰，這些特性使得量子點(diǎn)在光電探測(cè)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(cè)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(cè)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(chǎng)作用下光生電子空穴對(duì)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(jì)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(diǎn)對(duì)Gr/Si探測(cè)器進(jìn)行性能優(yōu)化，制備出Si-QDs/Gr/Si光電探測(cè)器，器件的性能優(yōu)異。當(dāng)入射光波長(zhǎng)405 nm，功率密度為0.1 mW/cm2，測(cè)得的光電流約為91 nA，響應(yīng)度約為0.36 A/W。同時(shí)本文也對(duì)器件的響應(yīng)速度進(jìn)行測(cè)試，其中零偏壓下時(shí)間響應(yīng)為25 ns。
　　（二）在 Si-QDs/Gr/Si探測(cè)器制備工藝的基礎(chǔ)上，本文簡(jiǎn)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(diǎn)，獲得摻硼硅量子點(diǎn)/石墨烯超高增益寬頻譜光電導(dǎo)探測(cè)器。其工作原理為：B-SiQDs本身對(duì)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(jì)算可得，響應(yīng)度為109 A/W(入射波長(zhǎng)532 nm，光功率密度為0.2μW/cm2)，增益Gain高達(dá)1012，并且在375-1870 nm全波段內(nèi)響應(yīng)極高。同時(shí)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