摘要
由单层碳原子构成的二维材料石墨烯，拥有极为优异的光学、电学、机械等特性，在全世界范围内掀起了石墨烯的研究热潮。构建的石墨烯/半导体界面电场，增加了对载流子的输运调控的自由度，并在此新方法上发展了一大批突破传统半导体器件性能的光电探测器。本论文主要基于构建石墨烯/半导体异质结光电探测结构，探索了石墨烯/半导体复合结构可能的电流增益机制，研制出多种高增益的石墨烯/半导体混合结构光电探测器原型器件。具体研究内容如下: (1)针对氮化镓材料内部位错密度高以及紫外波段透明导电电极缺失导致氮化镓紫外光电探测器光电转换效率低的问题，提出了石墨烯/氮化镓异质界面光电流的增益机制，将光生电荷区域和电流传导区域分离，有效规避了高密度位错缺陷对光电流的影响，从而大大提高了探测器的光电流增益。制备出光敏面积约为15mm2的石墨烯/氮化镓紫外光电探测器，在325nm光照下，探测器的响应度达到了0.229A/W，响应时间约为几个ms，比探测率约为2.3×1010Jones。 (2)为提高探测器性能，提出界面态增强光增益机理。采用感应耦合等离子体刻蚀对氮化镓外延片进行刻蚀处理，引入表面损伤，通过界面态延长了载流子寿命，从而提升了探测器的光电性能。设计并制备出光敏面积为2mm2的石墨烯/非故意掺杂的氮化镓紫外光电探测器，响应度达到了5.83A/W，外量子效率为2200％，器件的比探测率提高到1.0×1011Jones。这为基于界面电场调控的石墨烯/半导体异质结光电探测器性能提升提供了有益的思路。 (3)为验证界面态对光增益的提升，进一步提出采用表面态密度高的砷化镓材料，研究了石墨烯/砷化镓光电探测器的光增益。验证了界面诱导增益机制，即界面态俘获的光生载流子引起的钉扎效应对石墨烯费米能级的调控，从而产生大的光增益。石墨烯/砷化镓光电探测器最大的响应度为1321A/W，最大电流增益为2520，比探测率为～108Jones。通过设计顶栅和底栅对光电探测器性能的上升/下降时间调制特性研究，阐述了界面态对时间响应的作用机制，并进一步揭示了石墨烯/半导体光电导型探测器1/f噪声大的根源。制备出石墨烯/n型砷化镓光伏型光电探测器。在零伏偏压下，光电探测器的响应度为95mA/W，最大的比探测率提高到1.82×1011Jones，上升时间和下降时间分别为4ms和37ms。研究指出界面态在二维/三维混合结构器件增益特性中的作用对优化器件设计具有指导意义，为高性能光电探测器的发展提供帮助。 (4)为了获得更高增益的光电探测器，设计并制备了基于铜基石墨烯原位氧化的石墨烯/氧化亚铜光电探测器。首先研究了铜基石墨烯的原位氧化规律，研究表明氧化首先发生在石墨烯的晶界处，逐渐向内部扩散;氧化颗粒由小逐渐长大。拉曼光谱表征迸一步确认了氧化物为氧化亚铜，在氧化过程中石墨烯的质量未发现损伤。其次，制备的免转移的石墨烯/氧化亚铜光电探测器，探测器的响应度达到3.8×106A/W，增益高达～107，探测器的最大比探测率3.6×1011Jones。这主要是避免了转移过程对石墨烯的破坏，最大程度的保证了石墨烯超高的迁移率，为制备高响应度的石墨烯基光电探测器提供了新的思路。 (5)为了获得高响应度和快速响应时间的光电探测器，设计并制备了基于范德华力的graphene/MoS2/WS2异质结光电探测器。光的吸收主要发生在MoS2/WS2异质结中，光生载流子在内建电场的作用下进行分离，光生电子在石墨烯中快速输运，增加了器件对光的吸收，可以产生更多的光生载流子，增强了载流子的的收集效率，提高了探测器的响应度。此外，原子级平整的二维材料表面光滑无悬挂键，可以减少界面态或者表面态对器件性能的影响，有利于改善器件的时间响应。制备的光电探测器的响应度达到1.1×105A/W，增益高达～105，探测器的最大比探测率1.9×1010Jones。探测器的上升时间和下降时间分别为15ms和67ms。本部分工作为提升石墨烯基光电探测器的性能提供了一定的参考。
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