Performance enhancement of graphene/silicon based near-infrared Schottky photodiodes

Abstract

This thesis presents an experimental investigation on the performance enhancement of graphene/silicon based near-infrared Schottky photodiodes. The photodiode devices were fabricated by transferring CVD graphene layers onto n-type silicon (n-Si) substrates. The samples exhibited strong Schottky diode character and had high spectral sensitivity at 905 nm peak wavelength. The Schottky contact characteristics of the samples (e.g., barrier height, ideality factor and sheet resistance) were determined by analyzing the current-voltage measurement data. All the samples demonstrated a clear photovoltaic activity under light illumination. The Schottky barrier height (SBH) in Gr/n-Si photodiodes was tuned as a function of light power density. Light power density driven modification of the SBH was correlated with the variation in the measured open-circuit voltage. The impact of junction area and number of graphene layers on the spectral responsivity and response speed of Gr/n-Si based Schottky photodiodes were also investigated. Firstly, three batches of Gr/n-Si photodiode samples with junction area of 4 mm2, 12 mm2 and 20 mm2 were produced by transferring monolayer CVD graphene on individual n-Si substrates. The sample with 20 mm2 junction area reached a spectral response of 0.76 AW-1, which is the highest value reported in the literature for self-powered Gr/n-Si Schottky photodiodes without the modification of graphene electrode. In contrast to their spectral responsivities, the response speed of the samples was found to be lowered as a function of the junction area. After that, we increased the number of graphene layers on n-Si. Wavelength-resolved and time-dependent photocurrent measurements demonstrated that both spectral responsivity and response speed are enhanced as the number of graphene layers is increased from 1 to 3 on n-Si substrates. This thesis showed that the device performance of Gr/n-Si Schottky photodiodes can be modified simply by changing the size of graphene electrode and/or as well as the number of graphene layers on n-Si without need of external doping of graphene layer or engineering Gr/n-Si interface.

Bu tez, grafen/silikon bazlı yakın kızılötesi Schottky fotodiyotlarının performans artışı üzerine deneysel bir araştırma sunar. Fotodiyot aygıtları, CVD grafen katmanlarının n-tipi silikon (n-Si) substratlara aktarılmasıyla üretildi. Numuneler, güçlü Schottky diyot karakteri sergiledi ve 905 nm tepe dalga boyunda yüksek spektral duyarlılığa sahipti. Numunelerin Schottky temas özellikleri (örn. bariyer yüksekliği, idealite faktörü ve tabaka direnci) akım-voltaj ölçüm verileri analiz edilerek belirlendi. Tüm numuneler, ışık aydınlatması altında net bir fotovoltaik aktivite gösterdi. Gr/n-Si fotodiyotlardaki Schottky engel yüksekliği (SBH), ışık gücü yoğunluğunun bir fonksiyonu olarak değiştirildi. SBH'nin ışık gücü yoğunluğuna dayalı modifikasyonu, ölçülen açık devre voltajındaki varyasyon ile ilişkilendirildi. Bağlantı alanı ve grafen katman sayısının Gr/n-Si tabanlı Schottky fotodiyotların spektral duyarlılığı ve tepki hızı üzerindeki etkisi de ayrıca araştırıldı. İlk olarak, 4 mm2, 12 mm2 ve 20 mm2 bağlantı alanına sahip üç grup Gr/n-Si fotodiyot örneklerleri, birbirinden ayrı n-Si alttaşları üzerine tek katmanlı CVD grafen aktarılarak üretildi. 20 mm2 bağlantı alanına sahip olan aygıt, grafen elektrot modifikasyonu olmadan kendi gücünü sağlayan Gr/n-Si Schottky fotodiyotları için literatürde bildirilen en yüksek değer olan 0.76 AW-1 spektral tepkisine ulaştı. Spektral duyarlılıklarının aksine, örneklerin tepki hızlarının bağlantı alanının bir fonksiyonu olarak düştüğü bulundu. Sonrasında, n-Si üzerindeki grafen katmanlarının sayısını artırdık. Dalga boyu çözümlü ve zamana bağlı fotoakım ölçümleri, n-Si substratlar üzerinde grafen katmanlarının sayısı 1'den 3'e yükseltildiğinde hem spektral duyarlılığın hem de tepki hızının arttığını gösterdi. Bu tez, Gr/n-Si Schottky fotodiyotlarının aygıt performansının, grafen elektrotunun boyutunu ve/veya n-Si üzerindeki grafen katmanlarının sayısını değiştirerek, grafen katmanının harici katkılanmasına gerek kalmadan basitçe değiştirilebileceğini göstermiştir.