طراحی و ساخت آشکارساز محدوده فرکانسی ir و thz بر اساس گرافین
چکیده
در این پایان نامه، دیود شاتکی گرافین-سیلیکون به وسیله ی ورقه کردن مکانیکی دو نوع گرافیت ( hopg و گرافیت طبیعی) بر روی زیر لایه ای از سیلیکون، ساخته شده است. زیرلایه ی سیلیکونی، پیش از قرار گرفتن گرافین، الگوسازی شده است. برای این منظور، سیلیکون تا ضخامت 300 نانومتر اکسید شده و سپس فلزات au/ti بر روی آن لایه نشانی می شوند. در مرحله بعد با استفاده از ماسک مخصوصی، فرآیند زدایش انجام می شود. پس از لایه نشانی گرافین بر روی قطعه، مشخصات dc دیود، بررسی شده و قطعه برای تست آشکارسازی آماده می شود. در فرآیند تست آشکارسازی ir، دیود شاتکی گرافین-سیلیکون تحت تابش های مختلف با طول موج های 700، 1100، 1550، 2000 و 3500 نانومتری، مورد آزمایش قرار گرفته و منحنی مشخصه ی جریان-ولتاژ آن اندازه گیری شده است. پارامترهایی نظیر پاسخدهی و بازدهی کوانتومی برای آشکارساز دیود شاتکی گرافین-سیلیکون، محاسبه و با سایر آشکارسازهای گرافینی مقایسه گردیده است. در مرحله دوم از تست های آشکارسازی، دیود شاتکی گرافین-سیلیکون تحت تابش هایی با فرکانس های (86-100)ghz و 0.102thz تست شده و منحنی مشخصه ی جریان-ولتاژ و نیز ولتاژ-زمان آن اندازه گیری شده است. آزمایشات انجام شده، در دماهای برودتی تا 140 درجه کلوین، تکرار شده و پارامترهای مختلف آشکارساز دیود شاتکی گرافین-سیلیکون در این دماها نیز سنجیده شده است. نتایج آزمایشات در حوزه ی ir و thz نشان می دهد که دیود شاتکی گرافین-سیلیکون نه تنها قابلیت آشکارسازی در این محدوده های فرکانسی را دارد، بلکه برخی مشخصه های آن نظیر پاسخدهی، از سایر آشکارسازهای گرافینی بیشتر است و برخی مشکلاتِ سایر آشکارسازهای گرافینی را با ساختار منحصر به فرد خود رفع می کند. در این پایان نامه، پاسخدهی دیود شاتکی گرافین-سیلیکون به امواج ir و نیز امواج thz، مدل شده اند و دو تئوری جدید بر پایه گرافین ارائه شده است. پاسخدهی این آشکارساز به امواج ir، به کمک تئوری فولِر توضیح داده شده و مدلی جدید که برای سیستم های دو بعدی نظیر گرافین قابل استفاده است، ارائه گردیده است. مکانیزم آشکارسازی دیود شاتکی گرافین-سیلیکون در فرکانس های تراهرتز، بر اساس تشکیل الکترون های داغ در گرافین، توضیح داده می شود و پاسخدهی دیود شاتکی گرافین-سیلیکون به امواج thz به کمک تشکیل توزیعی از حامل های داغ در گرافین مدل شده اند. مدل ارائه شده، قابلیت توضیح پاسخدهی این آشکارساز در دمای اتاق را دارد. دیود شاتکی گرافین-سیلیکون، نسبت به ترانزیستورهای گرافینی، ساختار بسیار ساده تری دارد و می تواند امواج ir و thz را در دمای اتاق آشکار کند. بازده کوانتومی بالا، آشکارسازیِ در دمای اتاق، سادگی فرآیند ساخت به همراه سازگار بودن با سیلیکون، می تواند دیود شاتکی گرافین-سیلیکون را به عنوان یک آشکارساز نوظهور در حوزه ir و thz معرفی کند.