石墨烯的红外增强吸收及其光电探测响应特性研究
发布时间：2022-02-11 18:40
鉴于红外线在电磁波谱中的特殊位置,红外探测一直是红外技术领域的重要研究方向,其在夜视成像、无损检测、疾病诊断、军事侦察和工业流程监控等等方面具有广阔的应用前景。红外探测技术的发展依赖于关键探测材料的创新发展。石墨烯是近年来涌现出来的新兴材料,其独特的狄拉克能带结构赋予了石墨烯高电子迁移率、宽光谱响应和静电掺杂调谐等特殊的光电性质,为研制高性能红外探测器件提供了研究空间。针对石墨烯超薄材料的弱吸收以及光电探测性能局限问题,本论文对石墨烯的红外增强吸收和红外探测响应特性开展了深入研究,建立了石墨烯的红外光学仿真模型,设计并制备了石墨烯Salisbury屏和石墨烯-硅异质结原型器件,实验实现了单层石墨稀40%的红外吸收效率以及石墨烯本身作为探测材料在1550 nm波长处的红外探测响应。研究结果有助于理解石墨烯的红外响应基础特性,对于发展基于石墨烯的红外探测器件具有研究价值。论文的主要研究成果包括:1、建立了石墨烯多层膜传输矩阵模型,理论预测了单层石墨烯100%的红外全吸收性质。受限于石墨烯超薄的单原子层厚度,石墨烯本身仅仅具有2.3%的光吸收率,该微弱吸收限制了石墨烯光电器件的效率和性能。本...
【文章来源】：电子科技大学四川省211工程院校985工程院校教育部直属院校
【文章页数】：134 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
红外光电探测器发展历程[1,2]
）需要与红外辐射能量匹配，例如最常见的红外探测材料硅[13-15]、锗半导体材料[16-18]。以使用最广泛的硅半导体材料为例说明，本征硅的半导体禁带宽度等于1.12eV，制作成的硅光电探测器，可以对紫外、可见光到红外波段的信号进行检测，探测范围涵盖部分近红外（0.78μm-1.1μm）范围[19]。为了使其探测范围向波长更长的红外方向拓展，可以采取对半导体材料进行杂质掺杂的方法改变材料内部能级结构，利用掺杂元素形成的杂质能级的光电效应，让波长响应范围向更长的红外延伸。选择不同的掺杂材料可以达到不同的效果[20]。如图1-2中列举了对硅、锗进行杂质掺杂后探测器的性能汇总[21]。按图所示可以发现，在硅中进行砷（As）、磷（P）或镓（Ga）等元素掺杂，可以使硅材料的最长响应波长达到28μm；对锗掺杂锂（Li）、铍（Be）、铜（Cu）或镓（Ga）等不同金属元素，可以使锗探测器的最长响应波长增加到150μm。图1-2不同掺杂类型的硅和锗红外探测器[21]从19世纪开始，随着各种新红外材料的发明，红外光电探测器进入到全新的发展阶段，各种类型的窄禁带宽度半导体材料的发明，如Ⅲ-Ⅴ族，Ⅳ-Ⅵ族以
鹗粲?机化合物化学气相沉积法（MOCVD）技术，可以生长制作更高质量Ⅲ-Ⅴ族类半导体材料[24,25]。伴随材料生长技术和探测器制备工艺条件的不断进步，如今InGaAs光电探测器已经有成熟的生产应用，对波长为1.68μm的红外辐射的归一化探测率D*最高可以达到1015cmHz1/2W-1数量级，如图1-3所示[26]。此类材料的性能受温度影响，在295K的室温工作环境下，探测器D*性能受影响降低到1013cmHz1/2W-1。虽然工作环境温度的上升使探测器的性能下降，但是InGaAs光电探测器仍可在室温环境下使用，是面向此波段探测的最佳候选者。图1-3InGaAs光电探测器对波长1.68μm归一化探测率D*随温度变化趋势[26]以InGaAs为典型代表的Ⅲ-Ⅴ族类光电探测器虽然能够很好的满足对于短波红外的探测，但是对于波长更长的中波红外（MWIR，3μm-6μm），长波红外（LWIR，6μm-15μm）或者超长波红外（VLWIR，15μm-30μm）却不再合适。Ⅳ-Ⅵ族化合物材料的发明（例如PbSnTe、PbSnSe等），通过调节不同材料比例的组分，可以获得更小能量的禁带宽度，从而将探测范围向更长的波长范围拓展[27-29]。Ⅳ-Ⅵ族化合物红外探测器受温度因素影响更加严重。为了保证其探测率，往往选择在77K的环境下工作，这就需要利用液氮制冷技术。相比于
【参考文献】：
期刊论文
[1]傅立叶红外光谱仪（FTIR）的基本原理及其应用[J]. 王明智. 科技风. 2014(06)
[2]数字锁相放大器原理及其Matlab仿真[J]. 王欢,秦斌. 电子制作. 2013(11)
[3]数字锁相放大器的实现研究[J]. 赵俊杰,郝育闻,郭璐璐,金明录. 现代电子技术. 2012(03)
本文编号：3620764
【文章来源】：电子科技大学四川省211工程院校985工程院校教育部直属院校
【文章页数】：134 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
红外光电探测器发展历程[1,2]
）需要与红外辐射能量匹配，例如最常见的红外探测材料硅[13-15]、锗半导体材料[16-18]。以使用最广泛的硅半导体材料为例说明，本征硅的半导体禁带宽度等于1.12eV，制作成的硅光电探测器，可以对紫外、可见光到红外波段的信号进行检测，探测范围涵盖部分近红外（0.78μm-1.1μm）范围[19]。为了使其探测范围向波长更长的红外方向拓展，可以采取对半导体材料进行杂质掺杂的方法改变材料内部能级结构，利用掺杂元素形成的杂质能级的光电效应，让波长响应范围向更长的红外延伸。选择不同的掺杂材料可以达到不同的效果[20]。如图1-2中列举了对硅、锗进行杂质掺杂后探测器的性能汇总[21]。按图所示可以发现，在硅中进行砷（As）、磷（P）或镓（Ga）等元素掺杂，可以使硅材料的最长响应波长达到28μm；对锗掺杂锂（Li）、铍（Be）、铜（Cu）或镓（Ga）等不同金属元素，可以使锗探测器的最长响应波长增加到150μm。图1-2不同掺杂类型的硅和锗红外探测器[21]从19世纪开始，随着各种新红外材料的发明，红外光电探测器进入到全新的发展阶段，各种类型的窄禁带宽度半导体材料的发明，如Ⅲ-Ⅴ族，Ⅳ-Ⅵ族以
鹗粲?机化合物化学气相沉积法（MOCVD）技术，可以生长制作更高质量Ⅲ-Ⅴ族类半导体材料[24,25]。伴随材料生长技术和探测器制备工艺条件的不断进步，如今InGaAs光电探测器已经有成熟的生产应用，对波长为1.68μm的红外辐射的归一化探测率D*最高可以达到1015cmHz1/2W-1数量级，如图1-3所示[26]。此类材料的性能受温度影响，在295K的室温工作环境下，探测器D*性能受影响降低到1013cmHz1/2W-1。虽然工作环境温度的上升使探测器的性能下降，但是InGaAs光电探测器仍可在室温环境下使用，是面向此波段探测的最佳候选者。图1-3InGaAs光电探测器对波长1.68μm归一化探测率D*随温度变化趋势[26]以InGaAs为典型代表的Ⅲ-Ⅴ族类光电探测器虽然能够很好的满足对于短波红外的探测，但是对于波长更长的中波红外（MWIR，3μm-6μm），长波红外（LWIR，6μm-15μm）或者超长波红外（VLWIR，15μm-30μm）却不再合适。Ⅳ-Ⅵ族化合物材料的发明（例如PbSnTe、PbSnSe等），通过调节不同材料比例的组分，可以获得更小能量的禁带宽度，从而将探测范围向更长的波长范围拓展[27-29]。Ⅳ-Ⅵ族化合物红外探测器受温度因素影响更加严重。为了保证其探测率，往往选择在77K的环境下工作，这就需要利用液氮制冷技术。相比于
【参考文献】：
期刊论文
[1]傅立叶红外光谱仪（FTIR）的基本原理及其应用[J]. 王明智. 科技风. 2014(06)
[2]数字锁相放大器原理及其Matlab仿真[J]. 王欢,秦斌. 电子制作. 2013(11)
[3]数字锁相放大器的实现研究[J]. 赵俊杰,郝育闻,郭璐璐,金明录. 现代电子技术. 2012(03)
本文编号：3620764
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