Simulation and characterization of graphene based high frequency photodetectors

The present work thesis about simulation and characterization of graphene based high frequency photodetectors was developed inside the Physics Group of Thales Research&Technology, in Palaiseau. The work poses itself in a contest of study from the physical point of view of the working principle of graphene based photodetectors and its main sources of photocurrent when a laser is shining a spot on graphene flake. The two main mechanisms are the so-called photovoltaic effect, i.e. the excited electron-hole pair separated by an external electric field, and photobolometric effect, induced by change in conductance due to heating provided by the laser beam. To develop this model, some physical parameters have to be extracted. In the first part of the thesis (Chapters 1 and 2) an introduction about the physical background needed to understand the physical contest, together with the presentation of devices fabrication and experimental setup for measurements, is present. After, (Chapter 3) a model based on resistivity and resistance fit on graphene based transistors, supported by DC measurements, is developed, with which we can extract graphene mobility. Mobility is an essential parameter in photovoltaic effect model. The photoexcitation mechanisms and subsequent electrons cooling are then investigated and studied theoretically (Chapter 4), with a model based on heat equation including electron-phonon cooling mechanisms to calculate electronic and lattice temperature. Finally (Chapter 5) photodetection measurements and photocurrent simulations are present. In particular a new photocurrent model, missing in literature, is suggested, based on the hyphothesis that the change in conductance due to heating is a direct consequence of the increase of electronic temperature rather then lattice temperature, like instead it was suggested in previous works. This is supported by the extraction from experimental data of recombination times for photoexcited carriers and of the parameter which expresses the conductance dependence on temperature which should assume unreasonable values if the lattice temperature increase is considered.

Il presente lavoro di tesi sulla caratterizzazione e simulazione di photodetector ad alta frequenza a base di grafene è stato sviluppato all'interno del Gruppo di Fisica di Thales Research&Technology, in Palaiseau. Il lavoro si pone come obiettivo quello di capire, dal punto di vista fisico, il principio di funzionamento dei photodetector a base di grafene e le sue principali sorgenti di fotocorrente quando uno spot del grafene stesso viene illuminato da una sorgente laser. I due principali meccanismi sono l'effetto fotovoltaico, ossia la separazione delle coppie elettrone-lacuna indotta da un campo elettrico esterno, e l'effetto fotobolometrico, cioè la variazione della conduttanza dovuta al riscaldamento prodotto dal laser. Per sviluppare il modello di fotocorrente, è necessario conoscere alcuni parametri fisici signi- ficativi. La prima parte della tesi (Capitoli 1 e 2) consiste nella presentazione del background fisico, per inquadrare il contesto nel quale ci muoviamo, insieme ad una introduzione sulle tecniche di fabbricazione dei dispositivi testati e del setup sperimentale. Successivamente (Capitolo 3) viene sviluppato un modello basato su dei fit di resistenza e resistività di transistor a base di grafene, supportato sperimentalmente da misure DC. Con tale modello possiamo estrarre la mobilità del grafene. La mobilità è un parametro essenziale per sviluppare il modello della corrente fotovoltaica. I meccanismi di fotoeccitazione e successivo raffreddamento degli elettroni sono quindi studiati teoricamente (Capitolo 4), con un modello basato sull'equazione del calore, includendo i meccanismi di raffreddamento elettrone-fonone, per calcolare la temperatura elettronica e del cristallo. Infine (Capitolo 5) vengono presentate misure di photodetection e simulazioni di fotocorrente. In particolare viene suggerito un modello di fotocorrente, non ancora presente in letteratura, basato sull'ipotesi che la variazione della conduttanza dovuto al riscaldamento prodotto dalla sorgente laser sia una conseguenza diretta dell'innalzamento della temperatura elettronica piuttosto che della temperatura del cristallo, come invece veniva affermato in precedenti studi sull'argomento. Questo è supportato dall'estrazione, dai dati sperimentali, dei tempi di ricombinazione delle cariche fotoeccitate e del parametro che esprime la dipendenza della conduttanza dalla temperatura; entrambi assumerebbero valori irragionevoli se venisse considerato l'aumento di temperatura del cristallo.