عنوان

طراحی و مدلسازی آشکارسازنوری باند فروسرخ میانی مبتنی بر گرافن کوپل شده به نانو آنتن‌های فلزی,‮‭Design and modeling of mid_infrared photodetectors based on graphene coupled to the metallic nano antennas‬

‭۲۱۸۸۵پ‬

per

طراحی و مدلسازی آشکارسازنوری باند فروسرخ میانی مبتنی بر گرافن کوپل شده به نانو آنتن‌های فلزی

‮‭Design and modeling of mid_infrared photodetectors based on graphene coupled to the metallic nano antennas‬

/بهنام جعفری

: فناوری های نوین

، ‮‭۱۳۹۸‬

، افشاری

‮‭۱۳۲‬ص‬

چاپی

کارشناسی ارشد

مهندسی فوتونیک - نانو فوتونیک

‮‭۱۳۹۸/۰۶/۱۶‬

تبریز

در این پژوهش یک آشکار ساز نوری مادون قرمز میانی متشکل از نانوآشکارسازهای فلز/دی الکتریک/گرافن طراحی، مدلسازی و بصورت عددی تحلیل شده است .هر نانو آشکارساز نوری متشکل از ساختار ساندویچ فلز/دی الکتریک/گرافن است که از یک نانوالکترود اضافی برای بیشینه کردن میزان جذب نوری در گرافن و هدایت جریان نوری استفاده شده است .با آنالیزهای دقیق نوری با روش ‮‭FDTD‬ سه بعدی میزان جذب بالای ‮‭۷۰‬ در طول موج ‮‭۷۷/۶‬ میکرومتر بدست آمده است .برای تحلیل الکتریکی مقادیر واقعی برای پارامترهای گرافن و مدلسازی آن همچون مقاومت اتصال در محاسبات و تحلیل‌ها استفاده شده و از روش ‮‭FEM‬ برای تحلیل رفتار الکترواستاتیکی آشکارسازنوری پیشنهادی استفاده شده است .پهنای باند آشکارساز به‌وسیله‌ی مشخصات ‮‭RC‬ ساختار از طریق مدار معادل الکتریکی آن و تحلیل زمان گذر حامل‌ها از کانال تقریب زده شده است .نشان داده شده که مشخصات آشکارساز نوری همچون جذب نوری توسط کانال گرافنی و پاسخ‌دهی و ...از یک طرف به مشخصات هندسی نانوآنتن‌های بالایی و نانوآنتن‌های پایینی و از طرف دیگر به ولتاژهای بایاس درین/سورس و ولتاژ بایاس گیت وابسته است .افزایش ولتاژ درین سورس باعث افزایش پاسخ‌دهی آشکارسازنوری می‌شود و همچنین افزایش بایاس درین/سورس باعث افزایش پهنای باند آشکارساز شده در حالیکه جریان تاریکی را افزایش می‌دهد .این رفتار نشان می‌دهد که باید بین پاسخ‌دهی و پهنای باند ‮‭۳‬ دسی بل و جریان تاریکی‮‭off - trade‬انجام گیرد .از طریق بهینه کردن ساختار با استفاده از نانوآنتن‌ها و نانو الکترودهای فلزی که باعث افزایش ضریب حبس شدگی میدان الکتریکی نور فرودی در سطح کانال و به تله افتادن نور در ساختار فلز/دی‌الکتریک/گرافن به‌دلیل تحریک امواج پلاسمونی و اثر لبه‌های نانوآنتن‌ها میزان جذب نوری گرافن در کانال بشدت افزایش یافته و به مقدار بالای ‮‭۷۰‬ رسیده است .این مقدار جذب نور گرافن در محدوده‌ی مادون قرمز میانی یکی از بیشترین جذب‌های گزارش شده برای آشکارسازهای نوری است .همچنین با افزایش سطح فرمی گرافن از طریق دوپینگ الکترواستاتیکی گیت بدلیل غالب شدن گذارهای درون باندی در گرافن امواج پلاسمون گرافن‌های منتشر در جهت متضاد به سمت هم ایجاد می‌شود که باعث تشکیل تداخل فابری پرو حاصل از برخورد امواج پلاسمون گرافن و بوجود آمدن پروفایل جذب مولتی باند در ساختار می‌شود .ساختار آشکارساز پیشنهادی متشکل از آرایه‌ای از نانوآشکارسازهای نوری با ساختار ساندویچی فلز/دی‌الکتریک/گرافن در ردیف و ستون‌های مجزا است که در آنها نانو آنتن‌هایی برای افزایش جذب و همزمان هدایت جریان نوری استفاده شده است .با استفاده از ولتاژ بایاس گیت می‌توان تراز فرمی گرافن را طوری انتخاب کرد که پروفایل جذب دارای ‮‭۱‬ پیک یا دارای چندین پیک متوالی) تداخل فابری‌پرو (باشد .الکترودهای درین و سورس برای بایاس آشکارساز و هدایت حامل‌های نوری بکار گرفته شده است .در نهایت برای اندازه‌های مختلف از آشکارسازنوری پارامترهای موثر آشکارسازی با تحلیل‌های نوری و الکتریکی دقیق محاسبه شده است .برای آرایه‌ی‮‭۱‬ در ‮‭۱‬ پاسخ دهی بالاتر از‮‭۱.۲۶AW‬ - ‮‭۱‬با پهنای باند ‮‭f۳dB=۳۳۰GHz‬ و جریان تاریکی ‮‭IDark=۱۷۰A‬ برای ولتاژ درین سورس ‮‭۲۵/۰‬ ولت بدست می‌آید و برای آرایه‌ی ‮‭۵‬ در ‮‭۵‬ پاسخ دهی تقریبا به مقدار‮‭۰.۲۵AW‬ - ‮‭۱‬با پهنای باند ‮‭f۳dB=۳۳۰GHz‬ و جریان تاریکی ‮‭IDark=۹۳۰A‬ در ولتاژ بایاس درین/سورس ‮‭۲۵/۱‬ ولت بدست می‌آید .پاسخ‌دهی و پهنای باند می‌توانند بیشتر از این هم افزایش پیدا کنند اگر جریان تاریکی زیاد، قابل قبول باشد .با این حال مقادیر بدست آمده با ولتاژ بایاس کم در مقایسه با آشکارسازهای نوری مبتنی برگرافن نوررسانا در بازه‌ی مادون قرمز میانی نسبت به ساختارهای پیشنهادی در پژوهش‌ها و مقالات معتبر پیشین در این زمینه چندین برابر افزایش داشته است .حتی در بدترین حالت برای این آشکارساز نوری باز میزان پاسخ‌دهی حداقل تا حدود ‮‭۲‬ برابر افزایش داشته است .با بزرگتر شدن اندازه‌ی) تعداد آرایه‌های (آشکارسازنوری به ولتاژ بایاس زیادی نیاز است تا پاسخ‌دهی همچنان بالا نگه‌داشته شود ولی با انتخاب مناسب تعداد ردیف و ستون‌های نانوآشکارسازهای نوری نشان داده شده است که می‌توان در کنار داشتن پاسخ‌دهی بالا و پهنای باند زیاد، همچنان جریان تاریکی آشکارسازنوری را کم نگهداشت .همچنین نشان داده شده‌است که با تغییر اندک در ابعاد نانوآنتن‌ها و الکترودهای بکار گرفته شده برای افزایش جذب و بهره‌ی رسانایی نوری، می‌توان طول موج رزونانس را که در آن جذب کانال گرافنی آشکارساز بیشترین مقدار را دارد، بصورت کاملا موثر تنظیم پذیر شده بدون اینکه مقدار جذب به کمتر از ‮‭۶۰‬ توان نور فرودی برسد

5 array, the responsivity decreases to almost 0.25 AW-1 with f3dB=330 GHz and Idark=930 A for high VDS=1.25 V. Responsivity and bandwidth can even be increased if a higher dark current can be tolerated. However, the values obtained at low bias voltage have been several times higher than those proposed in previous research and papers in the field, compared to the proposed Graphene-based photodetectors in the mid-infrared range. Even in the worst case for this proposed photodetector, the responsivity has increased by at least 2 times. As the size of the photodetector increases (the number of arrays), a large bias voltage is required to maintain a high responsivity, but by selecting the appropriate number of rows and columns of nono_photodetectors, it has been shown that dark crrent can still be present in low rate along with high response and high bandwidth. It has also been shown that by slightly modifying the dimensions of the nano-antennas and electrodes used to increase the absorption and photo_conductive gain, the resonance wavelength at which the absorption of the graphene channel has the highest value can be efficiently adjusted without the amount of light absorption reaches less than 60 of the incident power‌1 array, the responsivity is as high as 1.26 AW-1 with f3dB=330 GHz and IDark=170 A for VDS=0.25 V. For a 5‌In this thesis, a mid-IR photodetector composed of metal-dielectric-graphene nanophotodetectors is designed and numerically investigated. The whole structure employs one unpatterned graphene layer and each nanophotodetector is composed of a metal-dielectric-graphene sandwich structure with additional nanoelectrodes for maximum light absorption and photogeneration current guiding. Detailed optical analysis performed with 3D FDTD method reveals that the absorption efficiency of the photodetector is as high as 70 at 6.77 m and can be effectively tuned in 6-7 m by geometrical optimization of the device while keeping the absorption efficiency to more than 60 . For the electrical analysis, realistic values for graphene conductivity as well as metal-graphene contact resistance are taken into account and electrostatic behavior of the structure is modeled through finite element method. The bandwidth of the photodetector is estimated by RC characterization and transit time analysis. It is shown that characteristics of the photodetector depends on the size of the nanophotodetector array on one hand and applied drain-source voltage (VDS) on the other hand. Increasing VDS enhances responsivity and bandwidth while increasing the dark current implying that a trade-off must be made. Through optimazing the proposed structure of photodetector using nano antennas and metallic nano electrodes, it increases the confinement coefficient of the electric field of incident light at the channel surface and traps light into Metal/Dielectric/Graphene structure due to the excitation of plasmonic waves and the tip enhancment effect. As a result the absorption enhancsment incresed sharply, reaching more than 70 . This amount of graphene light absorption in the mid-infrared range photodetectors is one of the most reported absorbtance in grhaphene channel for graphene based photodetectors. Also, by increasing the Fermi level of graphene in channel through electrostatic gate doping due to the dominance of interband transitions in graphene, the plasmon waves propagate in opposite directions as a result of symmetric structure of photodetector, causing the Fabry_perot interference resulting from the plasmon graphene waves collision and creating a multiband absorption profile. The proposed photodetector structure consists of an array of nano_photodetectors with Metal/Dielectric/Graphene sandwich Structure with separate rows and columns in which nano-antennas have been used to enhance the absorption and as electrodes simultaneously. by using the gate voltage bias, the Fermi level of graphene can be selected so that the absorption profile has 1 peak or several consecutive peaks (Fabry_prot interference). Drain and source electrodes are used to make external electric fiedl in each channels and direct optical carriers. Finally, for different sizes of photodetector, the effective detection parameters are calculated with precise optical and electrical analysis. For a 1

‮‭Design and modeling of mid_infrared photodetectors based on graphene coupled to the metallic nano antennas‬

جعفری، بهنام

Jafari, Behnam

سیاه و سفید

نمایه‌سازی قبلی