Fabrication and characterization of SOI based photodetectors with graphene electrode

Abstract

This thesis presents the pioneering methods for the design, fabrication process, and performance evaluation of graphene (G) and n-type silicon (n-Si) based self-powered one dimensional (1D) and two dimensional (2D) photodetector arrays (PDAs) on a silicon on insulator (SOI) substrate. In the device structure, monolayer G is utilized as hole collecting transparent conductive electrode (TCE) and n-Si is used as light absorbing material, respectively. After analyzing the photo-response characteristics of single pixel G/n-Si diode on SOI, we fabricated G/n-Si based Schottky barrier 1D PDAs with common G electrode, separate G electrode and 2D PDA with individual G electrodes on linearly arrayed n-Si channels, respectively. Each G/n-Si diodes exhibited a clear rectifying Schottky character with low dark current and diode parameters were analyzed using the current-voltage measurement. Besides, all diodes demonstrated a clear photovoltaic activity under the light illumination and maximum responsivity at 660 nm peak wavelength. Each diode in PDA revealed similar device performances under self-powered mode in terms of an Ilight/Idark ratio up to 104, a responsivity of ~0.1 A/W and a response speed of ~1.3 μs at 660 nm wavelength. The optical crosstalk was extremely low between neighboring diodes and also it could be greatly minimized when G is used as separated electrode on arrayed Si up to ~0.10% (-60 dB) per array. Time dependent photocurrent spectroscopy measurements revealed an excellent photocurrent reversibility of both device types. In the diode structure, the homogeneity of the graphene film transferred on n-Si were examined by Raman mapping and correlated with the sensitivity of diode to incoming light. This thesis paves the way for the new generation of optoelectronic devices with various potential by integrating G and SOI technology to PDA devices with ease of fabrication.

Bu tez, yalıtımlı Si (SOI) alttaş üzerinde grafen (G) ve n-tipi silikon (n-Si) tabanlı kendi kendine çalışan bir boyutlu (1D) ve iki boyutlu (2D) fotodedektör dizilerinin (PDAs) tasarımı, üretim süreci ve performans değerlendirmesi için öncü yöntemler sunmaktadır. Aygıt yapısında sırasıyla tek tabakalı G, deşik toplayıcı saydam iletken elektrot olarak (TCE) ve n-Si ise ışığı soğuran malzeme olarak kullanılmaktadır. SOI üzerinde tek piksel G/n-Si diyotunun foto-tepki özelliklerini analiz ettikten sonra, sırasıyla ortak ve ayrı G elektrotlu G/n-Si tabanlı Schottky bariyer 1D PDA'lar ve doğrusal olarak dizilmiş n-Si kanalları üzerinde ayrı G elektrotlu 2D PDA'lar ürettik. Her bir G/n-Si diyot, düşük karanlık akım ile belirgin bir doğrultucu Schottky karakteri sergilemiştir ve diyot parametreleri, akım-voltaj ölçümü kullanılarak analiz edilmiştir. Ayrıca, tüm diyotlar, ışık aydınlatması altında net bir fotovoltaik aktivite ve 660 nm tepe dalga boyunda maksimum tepki göstermiştir. PDA'daki her bir diyot, 660 nm dalga boyunda kendi gücünü sağlayan mod altında, 104'e kadar Ilight/Idark oranı, ~0,1 A/W duyarlılık ve ~1,3 μs yanıt hızı açısından benzer aygıt performansları ortaya koymuştur. Optik karışma, komşu diyotlar arasında son derece düşüktür ve ayrıca G, dizili Si üzerinde ayrı elektrot olarak kullanıldığında, dizi başına ~%0,10'a (-60 dB) kadar büyük ölçüde minimize edilmiştir. Zamana bağımlı foto-akım ölçümleri, her üç aygıt tipinin de ürettiği fotoakımın kendini mükemmel bir şekilde yenileyebildiğini ortaya çıkarmıştır. Diyot yapısındaki n-Si üzerine transfer edilen grafen filmin homojenliği Raman haritalaması ile incelenmiştir ve diyotun gelen ışığa duyarlılığı ile ilişkilendirilmiştir. Bu tez, G ve SOI teknolojisini üretim kolaylığı ile PDA aygıtlara uyarlayarak çeşitli potansiyellere sahip yeni nesil optoelektronik aygıtlara zemin hazırlamaktadır.