Developing epitaxial graphene electrodes for silicon carbide based optoelectronic devices

Abstract

In this thesis work, I studied the fabrication and characterization of graphene-semiconductor-graphene ultraviolet photodetector based on the rectifying character of Schottky junction at the interface between epitaxial graphene and silicon carbide semiconductor. As-grown single layer epitaxial graphene is interdigitated as transparent conductive electrode to probe photo-generated charge carriers in a semi-insulating 4H-silicon carbide substrate. The fabricated device exhibits the typical current-voltage characteristics of a conventional metal-semiconductor-metal type photodetector with low leakage current. Time-resolved photocurrent measurements suggest an excellent photocurrent reversibility and high response speed of the device. The measurements performed for different illumination wavelengths showed that the sample reveals higher responsivity values when it is exposed to the light with 254 nm wavelength. The obtained results imply that epitaxial graphene can be used readily as transparent conductive electrode for SiC based optoelectronic device applications. Finally, in the last chapter, I discuss how the photoresponsivity of the graphene-semiconductor-graphene photodetector can be enhanced by CdTe/CdS quantum dots. The drop casted CdTe/CdS quantum dots have been shown to increase the photoconductivity of the device. The thickness of the quantum dots is found to effect the enhancement factor of the photoresponsivity of the device.

Bu çalışmada grafen-yarıiletken-grafen tabanlı ultraviyole bölgesinde çalışan foto-detektörün fabrikasyon ve karakterizasyonunu gerçekleştirdim. Bu aygıt yapısının temel özelliği gösterdiği Schottky ekleminin düzenleyici etkisidir. Hiçbir dış etkiye ihtiyaç duymaksızın büyütülebilen epitaksiyel grafen, yarı-yalıtkan haldeki 4H-SiC alt taşın üzerine, optik olarak geçirgen ve elektronik olarak iletken elektrot amacı ile işlenmiştir. İşlenen bu elektrotlar ile 4H-SiC içinde fotonların etkisi ile üretilen yük taşıyıcılarının ölçümlenmesi hedeflenmiştir. Yapılan akım-voltaj ölçümleri sonucunda üretilen cihaz geleneksel metal-yarıiletken-metal yapısındaki foto-detektörlerinde gösterdiği gibi düşük kaçak akım değerleri göstermiştir. Yapılan zamana bağımlı foto-akım ölçümlerinin sonucunda aygıtın yüksek hızlı tepkiler verdiği ve verdiği tepkilerin kendini mükemmel bir şekilde yenileyebildiği gözlemlenmiştir. Tüm ölçümler farklı dalga boylarındaki ışık kaynakları ile tekrarlansa da aygıt 254 nm dalga boyuna en yüksek tepkiyi vermiştir. Elde edilen sonuçlar açıkça göstermektedir ki; grafen şeffaf bir elektrot olarak, SiC tabanlı foto-detektör uygulamalarında rahatlıkla kullanılabilir. Üretilen grafen-yarıiletken-grafen aygıtından elde edilen verimliliğin, aygıta eklenen CdTe/CdS tabanlı kuvantum noktaları ile arttırabilmektedir. Basitçe aygıtın üzerine damlatılan kuvantum noktalarını, aygıtın foto-iletkenlik değerlerinde artışa yol açmıştır. Aygıtın foto-iletkenlik değerlerinin eklenen kuvantum noktaları katmanının kalınlığı ile ilintili olarak değiştiği gözlemlenmiştir.