Fabrication and characterization of graphene/silicon based Schottky photodiode

Abstract

This thesis focused on fabrication and characterization of CVD grown p-type graphene and n-type Si Schottky junction photodiode with rectification behavior. The device operated at wavelength range between 390 and 1100 nm at self-powered mode. The device was encapsulated with Epoxy Resin to prevent graphene from atmospheric adsorbates. The electronic and optoelectronic characterizations of the devices were done before and after coating the devices with ER. By encapsulation stability of the device was enhanced in terms of photoresponsivity. The maximum obtained photoresponsivity value of the bare device was 0.56 A/W. Also, time-resolved photocurrent spectroscopy measurements showed that the devices exhibited enhanced photodetector performance in terms of photo-switching characteristics. Furthermore, electrical characteristics of Gr/n-Si Schottky photodiode under various illumination power densities with 850 nm wavelength were investigated. The short circuit current showed linear response to power density. However, open circuit voltage exhibited two phased slow and fast increment with increased power density. Hall effect measurements were conducted in order to investigate hole carrier concentration and mobility of the graphene on n-Si. With increasing the power density the carrier concentration increased and the mobility decreased. Besides, light induced manipulation of the Schottky barrier height of Gr/n-Si photodiode was studied. Schottky barrier height of the graphene measured by KPFM method as 0.4 eV. With increasing power density we found that Schottky barrier height of the device increased from 0.4 eV to 0.5 eV and showed similar trend with the change in open circuit voltage.

Bu tez, Kimyasal Buhar Biriktirme yöntemi ile üretilen p-tipi grafen ve n-tipi Silikon (Gr/n-Si) Schottky eklem fotodiyotunun fabrikasyonu ve karakterizasyonuna odaklanmıştır. Grafen ve n-Si Schottky eklemi doğrultucu bir davranış göstermiştir. Elde edilen aygıt ile 390-1100 nm dalgaboyu aralığında ve fotovoltaik modda ölçümler alınmıştır. Ayrıca cihaz Epoksi reçine ile kaplanarak hava ile teması kesilmiş ve böylece aygıtın daha stabil hale getirilmesi amaçlanmıştır. Aygıt enkapsüle edilmeden önce ve sonra elektriksel ve optoelektriksel karakterizasyonu yapılmıştır. Günlere bağlı yapılan fotocevap ölçümleri enkapsülasyon işleminin aygıtın stabilitesini arttırdığını göstermiştir. Elde edilen maksimum fotocevap değeri enkapsüle edilmemiş aygıt için 0.56 A/W olarak ölçülmüştür. Ayrıca zamana bağlı fotoakım spektrometresi ölçümleri aygıtların açma kapama performansları bakımından gelişmiş bir fotodetektör performansı sergilediğini göstermiştir. Buna ek olarak, Gr/n-Si Schottky fotodiyotun 850 nm dalga boyunda farklı şiddetlere sahip ışık altında elektriksel karakteristiğindeki değişim incelenmiştir. Kısa devre akımı artan ışık şiddeti ile doğru orantılı artmıştır. Fakat açık devre voltajı artan ışık şiddetine bağlı olarak yavaş ve hızlı olmak üzere iki fazlı bir artış göstermiştir. Işık şiddetine bağlı olarak n-Si üzerindeki grafenin deşik yoğunluğu konsantrasyonunu ve mobilitesini ölçmek için Hall Etkisi ölçümleri yapılmıştır. Işık şiddetine bağlı olarak deşik konsantrasyonu artmış fakat mobilite düşmüştür. n-Si üzerindeki grafenin Schottky bariyer yüksekliği Kelvin Kuvvet Aygıtı Mikroskopu (KPFM) yöntemiyle 0.4 eV olarak ölçülmüştür. Ayrıca, Gr/n-Si fotodiyotun Schottky bariyer yüksekliğinin ışık şiddeti ile değişimi incelenmiştir. Artan ışık şiddetiyle birlikte, aygıtın Schottky bariyer yüksekliğinin 0.4 eV'den 0.5 eV'ye yükselmiştir ve bu değişim açık devre voltajındaki değişimle benzer bir eğilim göstermektedir.