소자의 성능향상을 위한 소자의 미세화는 계속되고 있으며, 실리콘의 미세화는 한계에 도달하여 반도체 산업의 발전과 연구 활성화를 위하여 새로운 구조의 소자개발 혹은 새로운 물질이 필요하다. Ge은 차세대 CMOS 소자와 광전소자 응용을 위하여 Si의 한계를 극복할 수 있는 물질로 유망하다. 높은 이동도는 높은 소스 주입 속도와 높은 동작 전류에 의하여 유동전류를 향상시킨다. 적외선 영역에서 Ge은 우수한 광-전기적 특성을 가지므로 광통신 파장 (1310 nm-1550 nm)의 개별 광소자를 실리콘 기판에 모놀리식 집적을 할 수 있을 뿐만 아니라, 기존의 Si 트랜지스터 생산기술로 ...
소자의 성능향상을 위한 소자의 미세화는 계속되고 있으며, 실리콘의 미세화는 한계에 도달하여 반도체 산업의 발전과 연구 활성화를 위하여 새로운 구조의 소자개발 혹은 새로운 물질이 필요하다. Ge은 차세대 CMOS 소자와 광전소자 응용을 위하여 Si의 한계를 극복할 수 있는 물질로 유망하다. 높은 이동도는 높은 소스 주입 속도와 높은 동작 전류에 의하여 유동전류를 향상시킨다. 적외선 영역에서 Ge은 우수한 광-전기적 특성을 가지므로 광통신 파장 (1310 nm-1550 nm)의 개별 광소자를 실리콘 기판에 모놀리식 집적을 할 수 있을 뿐만 아니라, 기존의 Si 트랜지스터 생산기술로 게르마늄 기반 광통신 회로를 제작 할 수 있다. 최근에 실리콘 기판에 고품위 게르마늄 에피 성장에 기술적 관심이 모아지고 있다. 그러나 전통적인 방법에 의한 실리콘 기판 위에 게르마늄 에피 성장은 실리콘과 게르마늄의 큰 격자 불일치 (4.2%) 와 큰 열팽창계수 차이에 의해 발생되는 결함의 영향을 최소화하기 위하여 주의 깊은 공정이 요구된다. 따라서, 성분비를 바꾸는 SiGe 완충층, 여러 단계 성장 또는 고온 열처리 등과 같은 많은 시도를 하여 결함 형성의 감소 기술을 발전 시켰다. 이차원적으로 탄소원자가 공유 결합된 육각형의 단일 층인 그래핀은 높은 이동도, 높은 열 전도도, 높은 광 투과도 같은 우수한 특성이 나타나 주목 받고 있다. 뿐만 아니라 그래핀은 뛰어난 유연성과 재료인 탄소는 풍부하여, 투명전극, 반사방지 코팅, 표면 처리층, 플랙시블 태양전지등과 같은 다양한 응용에서 전류확산 필름, 터치 스크린, 발광 다이오드, 액정표시 장치 등에서 저가로 제작 할 수 있어 경제성이 높다. 이 논문의 목적은 전도성 그래핀 층을 이용하여 실리콘 위에 성장한 게 르마늄 에피 층 (Ge-on-Si) 구조 적외선 광 검출기의 성능을 향상시키고, 광-전기 적 특성을 연구한다. 이 목적을 달성하기 위하여 고품위 그래핀과 게르마늄 에피 층을 저압 화학 기상 증착 (LPCVD)과 급속가열 화학 기상 증착 (RTCVD) 장치를 사용하여 합성 및 성장하였다. 두 종류의 적외선 광 검출기를 성공적으로 제작하였 는데, 하나는 손가락 깍지형 그래핀전극-게르마늄-그래핀 전극 (interdigitated G-Ge-G) 구조 광 검출기이고, 다른 하나는 실리콘 기판 위에 성장한 게르마늄 에피 층으로 제작한 p-i-n 구조의 광 검출기이다. 이 논문의 구성은 아래와 같다. 제 1 장에서는 실리콘 광 기술, 물질 선택, 광 검출기의 종류, 광 검출기의 연구 동향 등의 간략한 서론과 검토를 서술하였다. 특별히 앞서 보고된 투명전극에 대한 장단점을 자세히 논 하였다. 추가적으로 이 연구의 동기와 목표를 서술하였다. 제 2 장에서는 실리콘 위에 게르마늄 에피 층을 성장하는 실험장치, 방법, 게르마늄 에피 층의 구조적 특성, 광학적 특성, 전기적 특성 등을 서술하였다. 게르마늄 에피 층은 급속가열 화학 기상 증착 (RTCVD) 장치를 사용하여 성장하였다. 성장한 게르마늄 에피 층의 구조적 특성, 광학적 특성, 전기적 특성은 FE-SEM, TEM, XRD, AFM, Hall 효과 측정장치 등을 이용하여 측정 분석하였다. 그 결과 성장한 게르마늄 에피 층의 특성은 앞선 보고들과 비교하여 결함이 적고, 표면은 매끄러웠으며 특성이 매우 우수하였다. 제 3 장에서는 그래핀의 기본 특성, 합성 방법, 옮기는 방법 등을 다루었으며, 그래핀의 실험 장치, 합성조건, 광-전기적 특성 등을 자세히 분석하고 논하였다. 제 4 장에서는 실리콘 위에 성장한 게르마늄 에피 층에 금속 전극처럼 그래핀 을 사용한 쇼트키 장벽을 도입하여 논하였다. 온도의존 전류-전압특성 (I-V-T)을 측정하여 주 전류전송 메커니즘과 쇼트키 장벽 불균일성을 연구하고 분석하고 논하였다. 제 5 장에서는 실리콘 위에 성장한 게르마늄 에피 층에 손가락 깍지 형 그래 핀 전극-게르마늄-그래핀 전극 (interdigitated G-Ge-G) 구조 광 검출기 제작하고, 광 검출기의 광-전기적 특성을 측정하고 분석하고 논하였다. 암전류 (dark current), 광전류 (photocurrent), 감응도 (responsivity), 인가전압에 의존하는 감응도는 1550nm의 빛을 조사하며 측정하였다. 감응도는 –2V의 인가전압에서 약 0.35 A/W 이었다. 이 결과는 최근 보고된 그래핀 광 검출기보다 큰 값이다. 제 6 장에서는 실리콘 위에 성장한 p-i-n 구조의 게르마늄 에피 층을 이용하 여 그래핀 층을 삽입한 p-i-n 구조의 광 검출기를 성공적으로 제작하여 광-전기적 특성을 연구하였고, 그래핀 층을 삽입하지 않은 p-i-n 구조의 광 검출기의 광-전기적 특성과 비교 분석하고 논하였다. 그래핀 층을 삽입한 p-i-n 구조의 광 검출기에 서 그래핀 층의 효과를 분석하고 논하였다. 제 7 장에서는 종합적인 결론과 차후에 진행 할 일의 방향 제시를 요약하였다.
소자의 성능향상을 위한 소자의 미세화는 계속되고 있으며, 실리콘의 미세화는 한계에 도달하여 반도체 산업의 발전과 연구 활성화를 위하여 새로운 구조의 소자개발 혹은 새로운 물질이 필요하다. Ge은 차세대 CMOS 소자와 광전소자 응용을 위하여 Si의 한계를 극복할 수 있는 물질로 유망하다. 높은 이동도는 높은 소스 주입 속도와 높은 동작 전류에 의하여 유동전류를 향상시킨다. 적외선 영역에서 Ge은 우수한 광-전기적 특성을 가지므로 광통신 파장 (1310 nm-1550 nm)의 개별 광소자를 실리콘 기판에 모놀리식 집적을 할 수 있을 뿐만 아니라, 기존의 Si 트랜지스터 생산기술로 게르마늄 기반 광통신 회로를 제작 할 수 있다. 최근에 실리콘 기판에 고품위 게르마늄 에피 성장에 기술적 관심이 모아지고 있다. 그러나 전통적인 방법에 의한 실리콘 기판 위에 게르마늄 에피 성장은 실리콘과 게르마늄의 큰 격자 불일치 (4.2%) 와 큰 열팽창계수 차이에 의해 발생되는 결함의 영향을 최소화하기 위하여 주의 깊은 공정이 요구된다. 따라서, 성분비를 바꾸는 SiGe 완충층, 여러 단계 성장 또는 고온 열처리 등과 같은 많은 시도를 하여 결함 형성의 감소 기술을 발전 시켰다. 이차원적으로 탄소원자가 공유 결합된 육각형의 단일 층인 그래핀은 높은 이동도, 높은 열 전도도, 높은 광 투과도 같은 우수한 특성이 나타나 주목 받고 있다. 뿐만 아니라 그래핀은 뛰어난 유연성과 재료인 탄소는 풍부하여, 투명전극, 반사방지 코팅, 표면 처리층, 플랙시블 태양전지등과 같은 다양한 응용에서 전류확산 필름, 터치 스크린, 발광 다이오드, 액정표시 장치 등에서 저가로 제작 할 수 있어 경제성이 높다. 이 논문의 목적은 전도성 그래핀 층을 이용하여 실리콘 위에 성장한 게 르마늄 에피 층 (Ge-on-Si) 구조 적외선 광 검출기의 성능을 향상시키고, 광-전기 적 특성을 연구한다. 이 목적을 달성하기 위하여 고품위 그래핀과 게르마늄 에피 층을 저압 화학 기상 증착 (LPCVD)과 급속가열 화학 기상 증착 (RTCVD) 장치를 사용하여 합성 및 성장하였다. 두 종류의 적외선 광 검출기를 성공적으로 제작하였 는데, 하나는 손가락 깍지형 그래핀전극-게르마늄-그래핀 전극 (interdigitated G-Ge-G) 구조 광 검출기이고, 다른 하나는 실리콘 기판 위에 성장한 게르마늄 에피 층으로 제작한 p-i-n 구조의 광 검출기이다. 이 논문의 구성은 아래와 같다. 제 1 장에서는 실리콘 광 기술, 물질 선택, 광 검출기의 종류, 광 검출기의 연구 동향 등의 간략한 서론과 검토를 서술하였다. 특별히 앞서 보고된 투명전극에 대한 장단점을 자세히 논 하였다. 추가적으로 이 연구의 동기와 목표를 서술하였다. 제 2 장에서는 실리콘 위에 게르마늄 에피 층을 성장하는 실험장치, 방법, 게르마늄 에피 층의 구조적 특성, 광학적 특성, 전기적 특성 등을 서술하였다. 게르마늄 에피 층은 급속가열 화학 기상 증착 (RTCVD) 장치를 사용하여 성장하였다. 성장한 게르마늄 에피 층의 구조적 특성, 광학적 특성, 전기적 특성은 FE-SEM, TEM, XRD, AFM, Hall 효과 측정장치 등을 이용하여 측정 분석하였다. 그 결과 성장한 게르마늄 에피 층의 특성은 앞선 보고들과 비교하여 결함이 적고, 표면은 매끄러웠으며 특성이 매우 우수하였다. 제 3 장에서는 그래핀의 기본 특성, 합성 방법, 옮기는 방법 등을 다루었으며, 그래핀의 실험 장치, 합성조건, 광-전기적 특성 등을 자세히 분석하고 논하였다. 제 4 장에서는 실리콘 위에 성장한 게르마늄 에피 층에 금속 전극처럼 그래핀 을 사용한 쇼트키 장벽을 도입하여 논하였다. 온도의존 전류-전압특성 (I-V-T)을 측정하여 주 전류전송 메커니즘과 쇼트키 장벽 불균일성을 연구하고 분석하고 논하였다. 제 5 장에서는 실리콘 위에 성장한 게르마늄 에피 층에 손가락 깍지 형 그래 핀 전극-게르마늄-그래핀 전극 (interdigitated G-Ge-G) 구조 광 검출기 제작하고, 광 검출기의 광-전기적 특성을 측정하고 분석하고 논하였다. 암전류 (dark current), 광전류 (photocurrent), 감응도 (responsivity), 인가전압에 의존하는 감응도는 1550nm의 빛을 조사하며 측정하였다. 감응도는 –2V의 인가전압에서 약 0.35 A/W 이었다. 이 결과는 최근 보고된 그래핀 광 검출기보다 큰 값이다. 제 6 장에서는 실리콘 위에 성장한 p-i-n 구조의 게르마늄 에피 층을 이용하 여 그래핀 층을 삽입한 p-i-n 구조의 광 검출기를 성공적으로 제작하여 광-전기적 특성을 연구하였고, 그래핀 층을 삽입하지 않은 p-i-n 구조의 광 검출기의 광-전기적 특성과 비교 분석하고 논하였다. 그래핀 층을 삽입한 p-i-n 구조의 광 검출기에 서 그래핀 층의 효과를 분석하고 논하였다. 제 7 장에서는 종합적인 결론과 차후에 진행 할 일의 방향 제시를 요약하였다.
With continued scaling down of devices to enhance performance, Si have reached its fundamental limits making it is necessary to develop new device architecture or new materials is driving research and development within the semiconductor industry. Ge photodetectors fabricated on Si substrate have re...
With continued scaling down of devices to enhance performance, Si have reached its fundamental limits making it is necessary to develop new device architecture or new materials is driving research and development within the semiconductor industry. Ge photodetectors fabricated on Si substrate have recently great interest because Ge absorbs light in the infrared wavelengths (1310 nm-1550 nm) and they could be monolithically integrated with Si-based CMOS technology. However, conventional epitaxial Ge growth on Si requires careful processing to minimize the impact of the dislocations caused by the lattice mismatch (4.2%) and large thermal expansion coefficient difference between Ge and Si. The superior flexibility and abundance of carbon source at lower costs make graphene as transparent conducting electrode, antireflection coating and current spreading films in numerious applications such as flexible solar cell, touch screen, light emitting diode and liquid crystal displays. The objective of this dissertation is to develop novel Ge-on-Si based infrared photodetectors with transparent conductive graphene layer and investigate its opto-electrical properties. To achieve this goal, we have synthesized the high quality graphene and Ge epitaxial layer on Si substrate by using low pressure chemical vapor deposition (LPCVD) and rapid thermal chemical vapor deposition (RTCVD) process, respectively. Then, we successfully fabricated two different kinds of infrared photodetectors, one is interdigitated graphene-Ge-graphene (G-Ge-G) photodetector, another one is a graphene/p-i-n photodetector using epitaxially grown Ge-on-Si substrate. The organization of this dissertation is as follows. A brief introduction and review of Si photonic technology, material choice, types of photodetectors and research trend in photodetectors were discussed. Especially, previous reports on the transparent conductive electrodes with their advantages and disadvantages were discussed in detail at the start of the dissertation in chapter 1. In addition, the motivation and scope of this research are also presented. The detailed experimental set-up, methods, materials and electrical properties of Ge growth on Si were presented in chapter 2. From the material, optical and electrical properties analyzed by FE-SEM, TEM, XRD, AFM, GPA and Hall measurement, our epitaxial Ge synthesized low defect density and smooth surface. Moreover, we reviewed previous successful Ge epitaxial growth methods and compared our results. Basic graphene properties, synthesis and transfer methods reviewed in chapter 3. Furthermore, detailed experimental set-up, synthesis conditions and opto-electrical characterization of graphene was discussed. For the first time, we introduced graphene as a metal electrode to form Schottky barriers on Ge epitaxial layer on Si substrate and discussed in chapter 4. Temperature dependent current-voltage (I-V-T) characteristics determined dominant current transport mechanism, Schottky barrier inhomogeneties were investigated and discussed. A novel G-Ge-G PD was fabricated using Ge-on-Si substrate and its optoelectrical properties were extracted and presented in chapter 5. In addition, dark current, photocurrent, the responsivity and the dependence of responsivity on the bias voltage were measured under the illumination with 1550 nm light. Responsivity at -2 V were estimated to be 0.35 A/W. This result is comparable to recent reported PDs and higher than intrinsic graphene PDs. In chapter 6, we successfully fabricated and investigated the optoelectrical characteristics of Ge p-i-n PDs with and without graphene layer. Effect of graphene layer on Ge p-i-n PD is also discussed. The overall conclusions and recommendation of future work were summarized in chapter 7.
With continued scaling down of devices to enhance performance, Si have reached its fundamental limits making it is necessary to develop new device architecture or new materials is driving research and development within the semiconductor industry. Ge photodetectors fabricated on Si substrate have recently great interest because Ge absorbs light in the infrared wavelengths (1310 nm-1550 nm) and they could be monolithically integrated with Si-based CMOS technology. However, conventional epitaxial Ge growth on Si requires careful processing to minimize the impact of the dislocations caused by the lattice mismatch (4.2%) and large thermal expansion coefficient difference between Ge and Si. The superior flexibility and abundance of carbon source at lower costs make graphene as transparent conducting electrode, antireflection coating and current spreading films in numerious applications such as flexible solar cell, touch screen, light emitting diode and liquid crystal displays. The objective of this dissertation is to develop novel Ge-on-Si based infrared photodetectors with transparent conductive graphene layer and investigate its opto-electrical properties. To achieve this goal, we have synthesized the high quality graphene and Ge epitaxial layer on Si substrate by using low pressure chemical vapor deposition (LPCVD) and rapid thermal chemical vapor deposition (RTCVD) process, respectively. Then, we successfully fabricated two different kinds of infrared photodetectors, one is interdigitated graphene-Ge-graphene (G-Ge-G) photodetector, another one is a graphene/p-i-n photodetector using epitaxially grown Ge-on-Si substrate. The organization of this dissertation is as follows. A brief introduction and review of Si photonic technology, material choice, types of photodetectors and research trend in photodetectors were discussed. Especially, previous reports on the transparent conductive electrodes with their advantages and disadvantages were discussed in detail at the start of the dissertation in chapter 1. In addition, the motivation and scope of this research are also presented. The detailed experimental set-up, methods, materials and electrical properties of Ge growth on Si were presented in chapter 2. From the material, optical and electrical properties analyzed by FE-SEM, TEM, XRD, AFM, GPA and Hall measurement, our epitaxial Ge synthesized low defect density and smooth surface. Moreover, we reviewed previous successful Ge epitaxial growth methods and compared our results. Basic graphene properties, synthesis and transfer methods reviewed in chapter 3. Furthermore, detailed experimental set-up, synthesis conditions and opto-electrical characterization of graphene was discussed. For the first time, we introduced graphene as a metal electrode to form Schottky barriers on Ge epitaxial layer on Si substrate and discussed in chapter 4. Temperature dependent current-voltage (I-V-T) characteristics determined dominant current transport mechanism, Schottky barrier inhomogeneties were investigated and discussed. A novel G-Ge-G PD was fabricated using Ge-on-Si substrate and its optoelectrical properties were extracted and presented in chapter 5. In addition, dark current, photocurrent, the responsivity and the dependence of responsivity on the bias voltage were measured under the illumination with 1550 nm light. Responsivity at -2 V were estimated to be 0.35 A/W. This result is comparable to recent reported PDs and higher than intrinsic graphene PDs. In chapter 6, we successfully fabricated and investigated the optoelectrical characteristics of Ge p-i-n PDs with and without graphene layer. Effect of graphene layer on Ge p-i-n PD is also discussed. The overall conclusions and recommendation of future work were summarized in chapter 7.
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