19202

۱۹۲۰۲

تهيه نانو ساختارهاي هيبريدي بر پايه اكسيدروي جهت ساخت و بهينه‌سازي فوتوديود

دكتري

اتمي مولكولي

۱۳۹۳

۱۳۹۷/۰۴/۱۷

دكتر بيژن غفاري

فيزيك

يك فوتوديود نيم‌رسانا از پيوند دو نيم‌رسانا، يكي با آلايش نوع مثبت (داراي حفره‌هاي اضافي با بار مثبت) و ديگري نوع منفي (داراي الكترون هاي اضافي با بار منفي)، تشكيل شده است. زماني كه فوتوديود تحت تابش نور قرار مي‌گيرد، حامل‌هاي بار كه در غياب نور، انرژي كافي براي غلبه بر سد پتانسيل ناشي از عدم توازن بارها در دو قطب فوتوديود را نداشتند، با كسب انرژي از نور فرودي، بر سد پتانسيل غلبه كرده و جريان الكتريكي توليد مي‌كنند و با تبديل نور به سيگنال الكتريكي، آشكارسازي نوري انجام مي‌گيرد. در اين فرآيند انتخاب مناسب 3 جزء اصلي فوتوديود يعني زيرلايه، ماده حساس به نور و جنس الكترودهاي جمع كننده حامل‌هاي بار، به شكل چشمگيري در بهينه‌سازي پارامترهاي اساسي اين افزاره نقش دارند. در اين رساله پس از انتخاب سيليكان نوع مثبت به عنوان زيرلايه و اكسيدروي نوع منفي به عنوان ماده حساس به نور، از ساختارهاي هيبريدي جهت بهينه سازي پارامترهاي فوتوديود ناهمگن استفاده شد كه شامل اين موارد مي‌شود: 1) بهينه سازي يون آلومينيوم به روش شيميايي در ساختار اكسيدروي جهت افزايش صحيح حامل هاي بار در ساختار ZnO:Al 2) استفاده از لايه حاوي نقاط كوانتومي گرافن به صورت ساختار هيبريدي (ZnO:Al/GQD/ZnO:Al) جهت كاهش جريان تاريك افزاره و 3) بهينه سازي جنس الكترودهاي هيبردي جهت كاهش مقاومت تماسي فلز با نيم‌رسانا و افزايش بهره خروجي افزاره. پس از سنتز شيميايي و بهينه‌سازي تركيبات عنصري در محلول‌هاي مورد نياز لايه‌نشاني، محلولي با غلظت 1 مولار استات‌روي با آلايش 2 درصد اتمي آلومينيوم به علت خواص الكتريكي بهتر جهت ايجاد لايه حساس به نور انتخاب شد. به منظور ايجاد تماس‌هاي فلزي، با بررسي دقيق روابط فيزيكي حاكم بر ساختارهاي نواري نيم‌رساناها به ترتيب فلزات تيتانيوم، آلومينيوم و طلا (Au، Al ،Ti) روي ZnO لايه نشاني گرديد و با استفاده از طرح TLM دايروي كه از طريق ليتوگرافي نوري روي نمونه‌ها منتقل شده بود، مقاومت تماسي ويژه بين الكترودهاي فلزي و اكسيدروي، با دقت بسيار زياد اندازه‌گيري شد. پس از بازپخت نمونه¬ها در دماهاي مختلف، براي تاييد اهمي شدن تماس و همچنين يافتن بهترين دماي بازپختِ داراي مقاومت تماسي ويژه¬ كمتر، مشخصه‌يابي جريان-ولتاژ انجام شد. نتايج نشان داد كه ساختارهاي هيبريدي فلزي مورد استفاده در دماي بازپخت 350℃ كمترين مقاومت تماسي ويژه را از مرتبه Ω.〖cm〗^"2" 7-10 دارند. همچنين با بررسي مشخصه جريان-ولتاژ نمونه‌ها اين نتيجه حاصل شد كه فوتوديودهاي ساخته شده از محلول اكسيدروي با غلظت بهينه 1 مولار استات روي و 2 درصد ناخالصي آلومينيوم، تحت تابش فرابنفش، بهترين جريان نوري را از خود نشان مي‌دهند و نمونه‌هايي با لايه نقاط كوانتومي گرافن بازپخت شده در دماي بهينه 400 درجه سانتي‌گراد، اگرچه جريان نوري كم¬تري داشتند، اما جريان تاريك بسيار كوچكي از خود نشان دادند و نسبت سيگنال به نويز نمونه‌هاي داراي لايه نقاط كوانتومي در 2 ولت، در حدود 600 بوده است. همچنين زمان پاسخ¬دهي اين نمونه¬ها نسبت به نمونه‌هاي بدون نقاط كوانتومي گرافن 14 برابر كاهش يافت و تاثير لايه نقاط كوانتومي در قالب يك ساختار هيبريدي جهت افزايش سرعت پاسخ‌دهي به خوبي مشاهده شد.

1397/04/24

Preparation of Hybrid Nanostructures based on ZnO for the Production and Optimization of Photodiode

4/2/2020 12:00:00 AM

In this study, the photodiode is obtained from two semiconductor bonds, one with a positive type (with additional holes with a positive charge), and other negative type (with additional electrons with a negative charge). When the photodiode is exposed to light, the carriers, in the absence of light, do not have enough energy to overcome the potential barrier, due to the imbalance of charges on the two photodiode poles, by acquiring energy from the incident light, overcomes the potential barrier, and the electric current lighting is produced by converting light into an electrical signal. In this process, the proper selection of the three main components of the photodiode, the substrate, the light sensitive material, and the electrode material of the carrier collector, greatly contribute to optimizing the basic parameters of the device. In this dissertation, after selection of positive type silicon as substrate and negative type of ZnO as a light sensitive material, hybrid structures were used to optimize heterogeneous photodiode parameters, which include: 1) optimization of aluminum ion by chemical method on the structure of ZnO, for the proper increase of the carriers in the ZnO: Al. 2) Using a graphene quantum dots layer as a hybrid structure (ZnO: Al / GQD / ZnO: Al) to reduce the photodiode dark current and 3) Optimizing the Hybrid electrode to reduce the contact resistance and increase the output of the device. After chemical synthesis and optimization of elemental compounds in the required layers, a solution of 1 molar Zinc acetate at a concentration of 2% aluminum atom was selected due to better electrical properties to create a light-sensitive layer. In order to create metal contacts, titanium, aluminum and gold (TIi, Al, Au) were used on the ZnO:Al layer. Using a circular TLM scheme, the lithography of the specimens, the special contact resistance between metal contacts and semiconductor was measured with great precision. After the annealing of the samples at different temperatures, the current-voltage characteristic was performed to confirm the reduction of contact and also to find the best annealing temperature with a special contact resistance. The results showed that the metal hybrid structures used at an annealing temperature of 350 ℃ had the minimum contact resistance of 10-7 Ω. cm2. Also, by studying the current-voltage characteristic of the samples, it was concluded that photodiodes made of an optimum concentration of 1 molar of zinc acetate and 2% of aluminum impurities, under ultraviolet radiation, exhibited the best photo current, and samples with graphene quantum dots annealed at an optimum temperature of 400 ° C, although having less photo current, showed a very small dark current, and the signal-to-noise ratio of samples with a GQD layer, at 2 volts, was around 600. Also, the response time of these samples (ZnO:Al/GQD/ZnO:Al) was 14 times faster than the ZnO:Al photodiodes, and the effect of the quantum dot layer in the form of a hybrid structure was found to decrease the response time.