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摘要目前科学家们研发出了可同时检测紫外波段和红外波段的紫外-红外双色探测器，它可以高效的防止周边环境产生的噪声，减少错误报警频率，这一技术的突破使其在光电技术领域倍受瞩目。但目前紫外-红外探测器普遍红外响应低，工艺繁琐，成本昂贵，因此本课题利用石墨烯的红外响应特性，用石墨烯作为红外光敏材料实现紫外-红外探测器中的红外探测系统，以此来降低材料生长难度、简化工艺和降低成本，并在实验中通过改变石墨烯介质层以此选择最优条件的方法来改善其红外响应度。实验中，先通过霍尔测试选择了最优的介质层条件，然后在该条件下制备了石墨烯红外探测系统。通过测试得出 PECVD法生长 SiN 介质层对石墨烯载流子影响最小， 在该条件下制备得石墨烯红外探测器在红外波段中 1μm~1.2μm波段之间有显著的光电响应，光电响应峰值为 1.16 μm，对应的响应度为 0.71 mA/W。这说明石墨烯可以作为紫外-红外探测器中红外光敏材料从而达到降低光敏材料生长难度、简化工艺和降低成本的目的。42031
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毕业论文关键词 石墨烯 红外探测器 介质层 霍尔测试
Title Research and Preparation in Graphene Photodetectors
Abstract Currently, Scientists have developed the UV -IR dual-color detectors which candetect the ultraviolet and infrared regions. UV-IR dual-color detectors cansuppress background noise and reduce false alarm rate, which is one of the hotspots in the development of optical detection technology. However, the materialof these detectors is difficult to grow, the cost is high, and the response ofthe device is low in the infrared band. Consequently all kinds of dual- colorappeared detectors, wherein the UV-IR dual-color detectors have a very importantposition. In the prior UV -IR dual-color detectors on the basis, we use infraredresponse characteristics of grapheme to achieve the detector infrared detectionsystem by using graphene as an infrared light-sensitive material, and improve theIR responsiveness by changing the conditions of the dielectric layer. In theexperiment, we successfully made graphene IR detection system, and proved thefeasibility of improving the IR responsiveness by changing the conditions of thedielectric layer of graphene. The experiments show it has the significant responsebetween 1μm to 1.2μm, and the response at 1.16 μm is 0.71 mA/W. This proves thatgraphene can be used the infrared light-sensitive material of the UV-IR dual-colordetectors.
Keywords Graphene Infrared detector Dielectric layer Hall
目次
1绪论..1
1.1课题背景与意义1
1.2紫外-红外双色探测器..2
1.2.1紫外-红外双色探测器的结构..2
1.2.2紫外-红外双色探测器的发展..3
1.3石墨烯..6
1.3.1石墨烯的结构..7
1.3.2石墨烯的基本性质8
1.3.3石墨烯的制备..9
1.3.4石墨烯的应用11
1.4论文主要研究内容12
2实验设计思路.13
2.1实验思路..13
2.1.1缺陷中间态能带..13
2.1.2金属光栅等离子基元13
2.1.3介质层条件..13
2.2实验方案..13
3石墨烯红外探测器的制备流程与测试分析.14
3.1制备流程..14
3.1.1掩模版设计..14
3.1.2衬底介质层生长..15
3.1.3石墨烯制备以及转移17
3.1.4霍尔器件制备18
3.1.5红外探测器制备过程18
3.2测试与分析.20
3.2.1石墨烯表征..20
3.2.2范德堡法霍尔测试与分析23
3.2.3石墨烯红外光谱响应测试与分析24
3.3实验小结..26
结论..27
致谢..28
参考文献29
1 绪论
1.1 课题背景与意义随着人类文明的不断发展，人类所发现的并将其应用到日常生活中的科学文化与技术也越来越多。在光学和信息学的交叉领域中，有一个基础的组成部分即光电信息，而光电探测器则是人类利用光电信息的基础。光电探测器如今已经普遍使用于军用和民用等各个领域。红外探测器广泛运用于气体成分分析、无损探伤、热像检测、红外遥感、红外夜视技术、红外侦察技术、红外精确制导技术、地貌学、环境监测、非接触式的温度测量及隐蔽火源探测等方面；紫外探测技术除了早期多运用于通信、导弹预警和导弹制导等相关军事范畴外，后来在癌细胞检测、皮肤病变细节诊断和白血球检测等医学和生物学方面以及天文研究、同步辐射、光谱分析及粒子探测等方面也有十分重要的运用[1]。然而，随着科研对集成度需求的不断提高、实际应用环境的越来越复杂以及红外干扰技术的快速发展，单色探测器越来越无法满足实际应用的需要。因此，人们开始研究把红外探测器和紫外探测器集成到一起，形成能同时探测两个不同波段的紫外-红外双色探测器， 这样就可以有效地抑制背景的复杂度对探测器的影响，提高探测器对目标的探测效果[2]。从上世纪双色探测器被提出以来， 集成双色探测这一技术在国内外都得到了巨大的发展，紫外-红外双色探测技术也随之得到发展，相关器件也被初步制备出来，但目前仍然没有得到普及化和工业化，其主要原因是紫外-红外双色探测器结构复杂、性能不稳定、成本高以及响应度较低等问题。 在早期由于Ⅲ族氮化物体系材料能够在同一体系材料内同时吸收紫外-红外双波段甚至多波段， 理论上可以很好地实现紫外-红外双色探测[3]， 但是由于高 Al 组分AlGaN材料生长和探测系统集成非常不容易，导致国际上的相关结果很少（如表 1.1所示），尤其是集成后的器件红外探测器的响应度比较低。因此，国内各个院校及研究院也开始着手研究利用其它红外材料来与高 Al 组分的AlGaN 材料集成制备双色探测器。近些年石墨烯材料的出现和成功制备[4]为各领域的发展注入了新的活力,也为紫外-红外双色探测器的发展带了新的方向。在 2015年,国内研制出了基于成熟的 AlGaN 紫外探测器与可进行材料转移的新型石墨烯探测器实现的紫外-红外双色集成探测器[5]，这对国内开展紫外-红外集成探测器方面的研究工作， 以及新型石墨烯材料在红外探测领域的应用和发展有着极大促进作用。 但目前石墨烯-铝镓氮双色探测器中石墨烯红外探测部分的性能仍然达不到理想状态，本文将提出几种思路，并选择其中之一设计具体实现方案，来提高红外光敏材料石墨烯的载流子迁移率，以此来提高红外探测响应度。表 1.1 双色探测器的典型研究工作[6-9]研究机构 时间 研究工作Institute of Physics,University of Neuchatel2003年 首次测得 GaN/AlN超晶格在1.55μm波长的光电流信号Departmentnt of Physicsand Astronomy2006年 利用 Al0.026Ga0.974N低势垒和 GaN发射层实现了360 nm 和 8~14μm 的双色探测Institute of Physics,University of Neuchatel2008年 利用GaN/AlN 超晶格和 AlGaN 薄膜实现了1.37μm和250 nm 的双色探测Institut d ’ ElectroniqueFondamentale2012年 利用GaN/AlGaN量子级联结构实现了 1μm和1.7μm 的双色红外探测