石墨烯場效應晶體管太赫茲光電特性研究.pdf

1、太赫茲波是介于紅外與微波或毫米波之間的頻譜范圍，太赫茲科學技術(shù)在物理成像、環(huán)境監(jiān)測、生物醫(yī)學、軍事等方面具有廣泛的應用前景。近年來，基于雙層石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)的共振隧穿機制以及等離子體振蕩在太赫茲方面的應用引起了人們的興趣。本文運用隧穿理論中的巴丁傳輸哈密頓方法、流體動力學方程與泊松方程的耦合模型，利用具有高電子遷移率和柵極調(diào)控溝道的二維電子/空穴等離子體的雙層石墨烯晶體管對稱異質(zhì)結(jié)構(gòu)，激發(fā)等離子體波振蕩，實現(xiàn)太赫茲波段的調(diào)制和探測是我們研

2、究的目的。論文主要的研究內(nèi)容和結(jié)論包括：
　　第一，我們利用電荷守恒結(jié)合石墨烯量子電容，以及兩層石墨烯狄拉克點在同一水平線的條件，推導出石墨烯準費米能級與柵電壓的關(guān)系式。研究石墨烯-勢壘-石墨烯三明治結(jié)構(gòu)非線性電流電壓特性，特別是對雙層石墨烯產(chǎn)生共振隧穿電流及其附近的電流分布進行討論，討論了穩(wěn)恒直流下產(chǎn)生的等離子體波速以及共振等離子體特征頻率的關(guān)系，并加入了小信號模型，推導雙層石墨烯共振隧穿結(jié)構(gòu)下的動態(tài)負微分電導關(guān)系。
　　

3、第二，設計了雙層石墨烯晶體管結(jié)構(gòu)，通過計算分析，確定了勢壘層近似兩個原子層的厚度0.5 nm，這一結(jié)果同時也得到相關(guān)理論研究的支持。以高介電常數(shù)材料作為柵氧化層，以六方氮化硼作為勢壘層。在直流共振隧穿機制下，器件的電流開關(guān)比Ion/Ioff可以達到106以上。其次，重點研究了在特定的結(jié)構(gòu)參數(shù)和小信號模式下，器件產(chǎn)生的動態(tài)負微分電導分布。計算結(jié)果表明，當載流子碰撞頻率達到特定頻率時，可以獲得比較明顯的負微分電導峰值。通過調(diào)節(jié)柵電壓準費米能

4、級的位置，準費米能級越小，在確定的結(jié)構(gòu)下獲得負微分電導峰值越高，但相應的共振等離子體特征頻率較小。同時改變載流子碰撞頻率以及準費米能級的位置，可以改善負微分電導的分布，在較高的石墨烯碰撞頻率以及準費米能級中獲得更明顯的負微分電導峰值。改變石墨烯相干長度的大小，可以在較短的長度下獲得尖銳的負電導峰值，同時還可以提高等離子體波產(chǎn)生的太赫茲頻率。負微分電導的產(chǎn)生可以激發(fā)溝道的等離子體波，增強等離子體振蕩，減小朗道衰減，實現(xiàn)對太赫茲頻率探測放大

5、以及輻射放大。
　　第三，采用天線結(jié)構(gòu)將電磁波信號頻率作為器件源漏兩端入射頻率，使得器件兩端感生交流信號激發(fā)等離子體波，并使得石墨烯溝道內(nèi)產(chǎn)生的等離子體波與外來電磁輻射的入射頻率產(chǎn)生共振效應，增強等離子體振蕩，最終達到探測的目的。計算結(jié)果表明，對于固定的結(jié)構(gòu)參數(shù)，在足夠小的溝道載流子碰撞頻率下，可以獲得尖銳的響應率最大峰值，響應率甚至可以超過直流共振隧穿下的特征響應率，響應率最高可以達到107 V/W。在不同石墨烯相干長度下探測器

6、響應率隨信號頻率的變化情況，表明了在一定范圍內(nèi)增加長度，其峰值減小幅度不大。適當增加柵極電壓，可以獲得對外來信號探測更為明顯的響應率?？偟膩碚f，通過我們設計的結(jié)構(gòu)參數(shù)，計算在入射頻率下的太赫茲探測響應率可以達到105 V/W以上，說明了雙層石墨烯隧穿異質(zhì)結(jié)在太赫茲探測方面有著潛在的發(fā)展前景。此外，基于石墨烯等離子體與光子的耦合形成表面等離子體激元，我們還研究了在太赫茲電磁波輻射下，仿真器件對光波的吸收透過率。仿真結(jié)果可以適當?shù)靥岣吖獾奈?/p>