Skip to main content
SUPERVISOR
Vahid Ghafarinia,Asghar Gholami
وحید غفاری نیا (استاد راهنما) اصغر غلامی (استاد راهنما)
 
STUDENT
Samira Lotfi Golsefidi
سمیرا لطفی گل سفیدی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1393

TITLE

Analysis and Modeling of Silicon/Organic Hybrid Photodetectors and Fabrication of a Sample
Mineral semiconductors from group III-V have been vastly used for fabrication of optoelectronic devices for long times. However, the use of organic materials as another category of semiconductors has been considered during the last decades. Comparing both category of semiconductors shows that even though the fabrication process of organic devices has lower costs, devices based on mineral (inorganic) semiconductors usually benefit from higher speeds. The use of both types of semiconductors alongside of each other provides the possibility of utilization of both types’ merits; so that this idea has been considered for developing of photodetectors. Recent vast use of organic semiconductors in optoelectronics devices has intensified the need for precise analysis and understanding the physical governing phenomena in organic devises. In this research, the operation principle of silicon/organic hybrid photodetectors with type II of heterojunction has been analyzed in the infrared spectrum. In hybrid silicon/organic photodetectors, the effective light absorption occurs at the heterojunction interface even though the semiconductors which are used in the detector are traarent in that spectrum. The absorption occurs due to the deference of energy levels at the interface silicon/organic heterojunction. Thus, in this thesis the device has been fully analyzed and modeled based on the involving physical phenomena. The model has been implemented with the aid of the COMSOL software. Furthermore, a prototype of the device was fabricated by exploiting available equipment in the lab. The simulation results have also been verified by comparing with the experimental reported data and with the measurements obtained from the fabricated prototype. This simulation model was used for device optimization regarding the dark current, responsivity and bandwidth. The results of this research show that the speed and the responsivity are increased by reducing the organic layer thickness. However, to avoid the short circuit within organic layer and depends on the fabrication process there is a limit in the thickness reduction. Another key parameter is the value of the LUMO energy level in the organic material that must be appropriately engineered. In fact, increasing the LUMO level in the organic semiconductor gives rise an absorption improvement in the infrared spectrum while degrades the dark current. According to the simulation results and the fabricated prototype device, the LUMO energy level of 4.4 eV for the organic semiconductor alongside a p-type silicon can be an appropriate choice for reducing the thermionic dark current and improving the infrared absorption. Keywords , organic semiconductors, silicon/organic hybrid photodetectors, type II of heterojunction.
ساخت ادوات الکترونیک نوری با استفاده از نیمه‌هادی‌های معدنی گروه III-V و سیلیکن سابقة دیرینه دارد. با این وجود، استفاده از نیمه‌هادی‌های آلی در ساخت ادوات نوری به عنوان دستة دیگری از نیمه‌هادی‌ها در چند دهة گذشته بسیار مورد توجه قرار گرفته است. مقایسة دو دسته نیمه‌هادی نشان می‌دهد که اگرچه روش‌های ساخت ادوات آلی کم‌هزینه‌تر است، اما ادوات مبتنی بر نیمه‌هادی‌های معدنی سرعت بیشتری دارند. استفاده از دو نوع نیمه‌هادی در کنار یکدیگر امکان بهره‌گیری از مزایای هر دو دسته را فراهم می‌کند؛ که این موضوع برای ساخت آشکارسازهای نوری نیز مورد توجه قرار گرفته است. گسترش استفاده از نیمه‌هادی‌های آلی در ساخت ادوات الکترونیک نوری، نیاز به درک و تحلیل پدیده‌های فیزیکی حاکم بر این ادوات را تشدید کرده و در این راستا تلاش‌هایی نیز صورت گرفته است. در این تحقیق، عملکرد آشکارساز نوری ترکیبی سیلیکن-آلی با ساختار ترکیبی پیوند ناهمگون نوع دوم و در محدودة فروسرخ تحلیل شده است. در این نوع آشکارساز نوری، جذب نور مؤثر در مرز پیوند ناهمگون اتفاق می‌افتد، در حالی که نیمه‌هادی‌های سازندة آن در محدودة فروسرخ شفاف هستند. این پدیده به علت اختلاف سطوح انرژی در پیوند ناهمگون سیلیکن-آلی به وجود می‌آید. لذا در این پایان‌نامه بر اساس پدیده‌های فیزیکی حاکم بر عملکرد آشکارساز نوری ترکیبی سیلیکن-آلی، رفتار قطعه به طور کامل تحلیل و مدل‌سازی شده و این مدل با استفاده از نرم‌افزار کامسول پیاده‌سازی شده است. علاوه بر این یک نمونة اولیه با ساختار اشاره شده و با توجه به تجهیزات موجود ساخته و ارزیابی شد. نتایج شبیه‌سازی نیز با استفاده از نتایج عملی گزارش شده و نتایج حاصل از اندازه گیری ساخت نمونة اولیه، صحت سنجی شده است. این شبیه‌سازی برای بهینه‌سازی قطعه از نظر کاهش جریان تاریکی، افزایش پاسخ‌دهی و سرعت قطعه مورد استفاده قرار گرفته است. نتایج حاصل از این تحقیق نشان می‌دهد که کاهش ضخامت لایة آلی موجب افزایش پاسخ‌دهی و سرعت قطعه می‌شود. کاهش بیش از حد ضخامت نیز موجب ایجاد اتصال کوتاه در فرآیند ساخت می‌شود. بنابراین کاهش ضخامت لایة آلی با محدودیت مواجه است و بر اساس کیفیت لایه‌نشانی می‌تواند کاهش یابد. پارامتر دیگر، مقدار سطوح انرژی مادة آلی مورد استفاده است که باید به صورت مناسب مهندسی شود. در حقیقت افزایش سطح LUMO مادة آلی موجب جذب در ناحیة فروسرخ و از طرفی افزایش جریان تاریکی می‌شود. بر اساس نتایج شبیه‌سازی و ساخت نمونة اولیه سطح LUMO برابر با 4/4 الکترون‌ولت برای مادة آلی در کنار سیلیکن نوع p می‌تواند جهت آشکارسازی نور فروسرخ و کاهش جریان تاریکی ناشی از گسیل گرمایونی مناسب باشد. کلید واژه: آشکارساز نوری ترکیبی سیلیکن-آلی، پیوند ناهمگون نوع دوم ، نیمه‌هادی‌های آلی.

ارتقاء امنیت وب با وف بومی