石墨烯場(chǎng)效應(yīng)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(xué)技術(shù)在物理成像、環(huán)境監(jiān)測(cè)、生物醫(yī)學(xué)、軍事等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。近年來(lái)，基于雙層石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)的共振隧穿機(jī)制以及等離子體振蕩在太赫茲方面的應(yīng)用引起了人們的興趣。本文運(yùn)用隧穿理論中的巴丁傳輸哈密頓方法、流體動(dòng)力學(xué)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(duì)稱異質(zhì)結(jié)構(gòu)，激發(fā)等離子體波振蕩，實(shí)現(xiàn)太赫茲波段的調(diào)制和探測(cè)是我們研

2、究的目的。論文主要的研究?jī)?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(diǎn)在同一水平線的條件，推導(dǎo)出石墨烯準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)與柵電壓的關(guān)系式。研究石墨烯-勢(shì)壘-石墨烯三明治結(jié)構(gòu)非線性電流電壓特性，特別是對(duì)雙層石墨烯產(chǎn)生共振隧穿電流及其附近的電流分布進(jìn)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(hào)模型，推導(dǎo)雙層石墨烯共振隧穿結(jié)構(gòu)下的動(dòng)態(tài)負(fù)微分電導(dǎo)關(guān)系。
　　

3、第二，設(shè)計(jì)了雙層石墨烯晶體管結(jié)構(gòu)，通過(guò)計(jì)算分析，確定了勢(shì)壘層近似兩個(gè)原子層的厚度0.5 nm，這一結(jié)果同時(shí)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(shì)壘層。在直流共振隧穿機(jī)制下，器件的電流開(kāi)關(guān)比Ion/Ioff可以達(dá)到106以上。其次，重點(diǎn)研究了在特定的結(jié)構(gòu)參數(shù)和小信號(hào)模式下，器件產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)負(fù)微分電導(dǎo)分布。計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)載流子碰撞頻率達(dá)到特定頻率時(shí)，可以獲得比較明顯的負(fù)微分電導(dǎo)峰值。通過(guò)調(diào)節(jié)柵電壓準(zhǔn)費(fèi)米能

4、級(jí)的位置，準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)越小，在確定的結(jié)構(gòu)下獲得負(fù)微分電導(dǎo)峰值越高，但相應(yīng)的共振等離子體特征頻率較小。同時(shí)改變載流子碰撞頻率以及準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)的位置，可以改善負(fù)微分電導(dǎo)的分布，在較高的石墨烯碰撞頻率以及準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)中獲得更明顯的負(fù)微分電導(dǎo)峰值。改變石墨烯相干長(zhǎng)度的大小，可以在較短的長(zhǎng)度下獲得尖銳的負(fù)電導(dǎo)峰值，同時(shí)還可以提高等離子體波產(chǎn)生的太赫茲頻率。負(fù)微分電導(dǎo)的產(chǎn)生可以激發(fā)溝道的等離子體波，增強(qiáng)等離子體振蕩，減小朗道衰減，實(shí)現(xiàn)對(duì)太赫茲頻率探測(cè)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(hào)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(hào)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(lái)電磁輻射的入射頻率產(chǎn)生共振效應(yīng)，增強(qiáng)等離子體振蕩，最終達(dá)到探測(cè)的目的。計(jì)算結(jié)果表明，對(duì)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(yīng)率最大峰值，響應(yīng)率甚至可以超過(guò)直流共振隧穿下的特征響應(yīng)率，響應(yīng)率最高可以達(dá)到107 V/W。在不同石墨烯相干長(zhǎng)度下探測(cè)器

6、響應(yīng)率隨信號(hào)頻率的變化情況，表明了在一定范圍內(nèi)增加長(zhǎng)度，其峰值減小幅度不大。適當(dāng)增加?xùn)艠O電壓，可以獲得對(duì)外來(lái)信號(hào)探測(cè)更為明顯的響應(yīng)率?？偟膩?lái)說(shuō)，通過(guò)我們?cè)O(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，計(jì)算在入射頻率下的太赫茲探測(cè)響應(yīng)率可以達(dá)到105 V/W以上，說(shuō)明了雙層石墨烯隧穿異質(zhì)結(jié)在太赫茲探測(cè)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(duì)光波的吸收透過(guò)率。仿真結(jié)果可以適當(dāng)?shù)靥岣吖獾奈?/p>