Investigation of the Photo-Response of Graphene Silicon Photodetector in the Ultraviolet Region

Abstract

In this thesis, we focus on the optoelectronic properties of p-type graphene and n-type Silicon (Gr/Si) Schottky barrier photodiode according to the number of layers in the ultraviolet region (UV). The I-V measurements were conducted at an applied bias voltage between -0.5 and 0.5 V for each Gr/Si heterojunction. The I-V measurements taken under dark conditions showed that all Gr/Si samples with 2-, 4- and 6-layers graphene electrodes exhibited rectifying Schottky junction character, but all device's reverse saturation currents (I0) were different. Schottky barrier heights (ΦB) of the samples with 2-, 4- and 6-layers graphene electrodes were determined using the I0 values obtained from I-V measurements. Compared to the ΦB value of the sample with 2 layers graphene electrode, the ΦB of the sample with 4 layers of graphene electrode increased to ~0.82 eV, and then ΦB was found to decrease to ~0.79 eV for the 6-layer graphene electrode. Additionally, photo-response measurements were carried out at zero bias voltage and in the wavelength range of 250 – 400 nm to determine the spectral response (R) of the devices in the UV region. Compared to the device with 2 layers graphene electrode, R of the sample with 4 layers graphene electrode increased by 3 times. The result obtained revealed that using 4-layer graphene as a light-transparent electrode, Gr/Si Schottky barrier photodiode is the most applicable option for sensitive detection of light in the UV region.

Bu tez çalışmasında, Kimyasal Buhar Biriktirme yöntemi ile üretilen p-tipi grafen ve n-tipi Silisyum (Gr/Si) bazlı Schottky bariyer fotodiyotunun fabrikasyonu ve bu fotodiyotun morötesi bölgede optoelektronik karakteristiklerinin grafen katman sayısına bağlılığı deneysel olarak incelenmiştir. Atmosferik basınçta ölçümlerde, her bir Gr/Si hetero eklemi için -0,5 ile 0,5 V arasında uygulanan öngerilim voltajında I-V ölçümleri gerçekleştirilmiştir. Karanlık ortam koşulları altında alınan I-V ölçümleri 2, 4 ve 6 katmanlı grafen elektrota sahip Gr/Si örneklerin tamamının düzeltici (rectifying) Schottky eklem karakteri sergilediği ancak ters doyma akımlarının (I0) farklı olduğu bulunmuştur. I-V ölçümlerinden elde edilen I0 değerleri kullanılarak 2, 4 ve 6 katmanlı grafen elektrotlu numunelerin Schottky bariyer yükseklikleri (ΦB) saptanmıştır. İki katmanlı grafen elektrota sahip örneğin ΦB değerine göre 4 katman grafen elektrotlu örneğin ΦB değeri ~0,82 eV düzeyine çıktığı ve ardından 6 katman grafen elektrodu için yaklaşık ~0,79 eV 'a düştüğü bulunmuştur. Elde ettiğimiz bu sonuçlar, Gr/Si fotodiyottaki düzeltme kuvvetinin, aygıt yapısında şeffaf iletken elektrot görevi gören grafen katmanlarının sayısı ile değiştirilebileceğini göstermektedir. Ayrıca, aygıtların morötesi bölgesindeki spektral tepkisini (R) belirlemek için sıfır ön gerilimde ve 250 – 400 nm dalga boyu aralığında foto-tepki ölçümleri gerçekleştirilmiştir. 2 katmanlı grafen elektrotlu aygıta kıyasla, 4 katmanlı grafen elektrotlu örneğin spektral duyarlığı 3 kat artmasına rağmen, 6 katmanlı grafen elektrotlu aygıtta 4 katmanlı grafen elektrotlu aygıtın spektral duyarlığına göre yaklaşık 25% azalma olduğu belirlenmiştir. Elde edilen sonuçlar, 4 katmanlı grafenin ışık geçirgen bir elektrot olarak kullanılmasının, Gr/Si Schottky bariyer fotodiyotun derin morötesi bölgede ışığın hassas olarak algılanması için en uygun seçenek olduğunu ortaya koymuştur.