Analysis and modelling of a graphene based photodetector

In the last decades a lot of research in the field of material science has been focused on the discovery of substances with new and exotic properties. Graphene is one of the results of these efforts and is one of the most promising materials for electronics and optoelectronic applications, given its unique properties of high carrier mobility and saturation velocity. The main goal of this thesis is the characterization of a graphene based photodetector, given the peculiar properties of graphene the device should work at high frequency and could be employed as an optoelectronic mixer. The characterization will be performed in three different condition: DC with no illumination, to understand the static properties of the device, DC with illumination, to understand the effect of absorption in the device and RF regime, to understand its high frequency performances. For each condition a statistical study will be carried out. The second part of this thesis will be dedicated to the development of two models: a physical model to describe the change in conduction due to illumination of the samples and an electrical model to describe the parasitics of the devices using passive components (resistors, capacitors and inductors). Since the devices work in an RF regime the typical RF procedures will be carried out to understand the electrical behaviour of the devices at high frequency. This thesis work has been performed in one of the research centers of Thales, a global company active in the fields of telecommunications, electronics and aerospace, in the framework of the graphene flaghship european program.

Negli ultimi decenni sono stati compiuti molti sforzi nel campo della fisica della materia per scoprire materiali con proprietà nuove ed esotiche. Il grafene è uno dei risultati di queste ricerche ed è uno dei materiali più promettenti per applicazioni nei campi dell’elettronica ed optoelettronica, date le sue proprietà uniche quali elevata mobilità dei portatori ed elevata velocità di saturazione. Lo scopo principale di questa tesi è la caratterizzazione di un fotodetector a base di grafene, le cui proprietà peculiari permetterebbero al dispositivo di essere utilizzato in un regime di alta frequenza come mixer optoelettronico. La caratterizzazione verrà eseguita per tre differenti condizioni operative: regime DC senza illuminazione, per analizzare le proprietà statiche del dispositivo, Regime DC con illuminazione, per comprendere gli effetti dell’assorbimento sul dispositivo e regime RF, per analizzare le performance ad alta frequenza. Per ogni regime verrà eseguito uno studio statistico. La seconda parte della tesi sarà dedicata allo sviluppo di due modelli: un primo modello fisico per descrivere in modo analitico il cambio della conduttività dovuto all’illuminazione, e un secondo modello elettrico per per descrivere i parassitismi nel dispositivo utilizzando elementi passivi (resistenze, condensatori ed induttori). Dato che i dispositivi operano in regime RF le procedure tipiche dell’elettronica a radiofrequenze verranno utilizzate per capire e modellizzare il comportamento dei dispositivi in regime di alta frequenza. Questo lavoro di tesi è stato svolto presso uno dei centri di ricerca di Thales, una multinazionale attiva nei campi delle telecomunicazioni, elettronica ed aerospazio, nell’ambito del progetto europeo flagship graphene.