室温工作的小型固态石墨烯太赫兹辐射源的机理研究

Terahertz (THz) technology has wide application prospect in many fields, but the lack of small size THz sources at room temperature limits its application. Graphene has bipolar field effect, and the gate voltage can change the concentration of graphene electron and the Fermi level to form a n type and a p type graphene. This project proposes a program to generate THz source by utilizing the graphene p-n junction，so as to explore a new small size solid THz source design. Through the research on the static characteristics of graphene, we will understand the influence mechanism of distance between two gates, and the action mechanism of the substrate, the metal electrodes, the dielectric on graphene, to provide theoretical basis for the construction of p-n junction active region. Through the research on the dynamic mechanism of the p-n junction with injection current, we will understand the electronic transport mechanism of the p-n junction, and get the recombination probability and the life time of radiation recombination, phonon scattering and Auger recombination, to provide the theory evidence for the model design of the THz source. Through the research on action mechanism of the temperature on the THz photon, we will get the theory evidence to improve the output power of THz source. This project will improve THz technology application with the research on the THz source.

太赫兹技术在诸多领域都有着广泛的应用前景，然而缺乏体积小、室温工作的太赫兹信号源又限制了太赫兹技术的应用。石墨烯具有双极电场效应，栅电压可以改变石墨烯的电子浓度和费米能级，从而形成n型和p型石墨烯。本项目提出利用石墨烯p-n结产生太赫兹源，探索一种新的室温工作的固态小体积的太赫兹信号源设计。通过对石墨烯静态特性的研究，得出栅极门间隔对p-n结的影响机理，以及基底、金属电极、电介质对石墨烯的作用机理，为p-n结有源区的构建提供理论基础。通过注入电流作用下p-n结的动态机理研究，得出电子的p-n结输运机理，得到辐射复合、声子散射和俄歇复合的几率、寿命，为太赫兹信号源的模型设计提供理论依据。通过温度对太赫兹光子辐射的作用机理研究，为提高太赫兹信号源的输出功率提供理论依据。项目所开展的太赫兹信号源的研究，对太赫兹技术的应用具有推动作用。

我们研究了正向偏压下电子和空穴注入到石墨烯p-i-n结中i区的动态过程，计算了准费米能级的空间分布、能带边缘轮廓，温度对准费米能级变化的影响；计算了器件中石墨烯在太赫兹频段范围内的负动态电导率，表明在该频段范围内的石墨烯的带间辐射大于带内吸收。分析了器件的偏置电压、栅极电压、栅极厚度、温度等参数对石墨烯的动态电导率造成的影响。对双顶栅极模型电流特性进行了研究，利用缓变沟道近似法建立电流模型，绘制了该器件的输出与转移特性曲线，得到了器件在较小能量注入下的工作机制，在栅极电压固定的情况下，器件的导电类型随着漏源电压的增大发生变化。发现了由于大的栅极电压提高了p-n结的势垒高度，导致出现了负跨导现象，抑制了电流的持续升高。研究了影响器件输运的关键因素，得出栅极电压和栅极间隙会强烈地影响器件特性，顶栅介电层的介电常数大小影响较小。研究所得结果为设计注入式石墨烯太赫兹辐射源设计提供了理论研究基础。对温度对复合的作用机理进行了研究，分析了石墨烯载流子浓度与温度呈平方关系而非传统的指数关系。得出只有当石墨烯中的辐射复合速率大于非辐射复合速率时，才有可能辐射出太赫兹光子，从器件角度来看，所有非辐射复合过程都对器件性能有害，一方面降低了参与发光的电子-空穴对数目，削弱了器件发光效率；另一方面它释放的热量会加速器件老化甚至损坏器件。而温度影响了石墨烯的载流子浓度，从而增加了石墨烯非辐射复合发比重，造成了石墨烯器件低阈值温度与输出功率的现状。设计了分布布拉格反射式结构的谐振腔，起到对单模光子的选频放大作用。并利用半导体激光器的速率方程理论对器件的输出特性进行了计算与分析，探究了影响器件输出功率的因素，得出可以通过适当增大注入电流和降低环境温度来提高输出功率，同时可以从制作工艺入手，使用高质量石墨烯材料以提升其光增益常数，增加布拉格光栅周期数以提高谐振腔Q值。