【摘 要】
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光电探测器广泛应用于自动驾驶、卫星遥感、大气监测、安防监控、农业种植等诸多领域。传统的硅光电探测器在光电探测和成像领域已经得到了成熟的发展和应用。但是硅基半导体的发展已经接近摩尔定律的极限,同时也面临着器件尺寸缩小到纳米范围的瓶颈,因此探索新型半导体来解决摩尔定律极限问题是值得探究的方法之一。二维材料具有原子层厚的超薄沟道、表面无悬挂件、可高自由度异质结搭建、丰富多样的调控手段,这些特性使得二维材
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光电探测器广泛应用于自动驾驶、卫星遥感、大气监测、安防监控、农业种植等诸多领域。传统的硅光电探测器在光电探测和成像领域已经得到了成熟的发展和应用。但是硅基半导体的发展已经接近摩尔定律的极限,同时也面临着器件尺寸缩小到纳米范围的瓶颈,因此探索新型半导体来解决摩尔定律极限问题是值得探究的方法之一。二维材料具有原子层厚的超薄沟道、表面无悬挂件、可高自由度异质结搭建、丰富多样的调控手段,这些特性使得二维材料在新型光电器件领域具有广阔的应用前景。作为二维材料的典型代表,石墨烯具有超高的载流子迁移率、宽光谱响应、极短的载流子弛豫时间。这些特性使得石墨烯在宽光谱、超快速光电探测方面具有巨大的潜力。但是,单一石墨烯光电探测器的吸收光程短、光吸收率低、光生载流子寿命较短,严重限制了石墨烯在光电探测领域的应用。本论文以解决这些问题为切入点,将主要围绕石墨烯和零维量子点的结合展开。首先对其光电响应的机理进行了理论仿真,然后设计并制备了石墨烯/Pb S/石墨烯垂直异质结的光电探测器,并测试了其光电性能,主要内容如下:（1）首先利用有限元仿真软件COMSOL建立了Kretschmann-Raether棱镜耦合模型,对于石墨烯-Pb S量子点耦合模型的表面等离激元共振进行了仿真计算,推导并使用MATLAB计算了石墨烯的光学仿真参数。对不同情况的等离激元共振强度进行了分析,发现随着量子点颗粒直径的增加,表面等离激元共振电场强度逐渐增大;随着入射光波长的增加,表面等离激元共振电场强度先增加后降低,在1260nm波长处获得最为明显的表面等离激元共振,器件光电性能达到最优。（2）通过紫外光刻和电子束蒸发工艺在Si/SiO2基底上制备了图案化的金属电极,然后利用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA,poly-methyl methacrylate）辅助转移法转移了石墨烯材料,最后利用量子点的旋涂工艺制备了石墨烯/Pb S量子点/石墨烯垂直异质结光电探测器。（3）通过实验室搭建的集成光电流测试系统对不同结构器件的光电探测能力进行了系统的表征。结果表明垂直沟道的器件具有更高的光电流响应,Pb S量子点的引入显著的改善了石墨烯光电探测器的光学吸收,光生载流子在石墨烯和量子点界面处发生了快速分离,器件在2V偏置电压1300nm波长的光源照射下,上升时间和下降时间分别为0.83ms和1.71ms。并且器件在波长为1300nm光功率为1.81 u W/cm~2的光激发下,响应度达到了14.31A/W,比探测率为6.61×1010Jones。
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