Electrical and Optoelectrical Graphene Devices

This project is part of a joint project aiming at the development of graphene-based field-effect-transistors (FETs) and photodetectors, their quantitative characterization, and physical modeling. Numerical simulation will be used to improve the physical understanding of the functioning of these electronic and opto-electronic devices. It also provides a means for device design and performance optimization. To introduce a band gap in graphene, two classes of nano-structures are considered, namely graphene nano-ribbons and anti-dot superlattices. The electronic band structure of these nano-structures is studied using the tight-binding method, and design parameters are derived from the theoretical calculations. Based on the electronic structure, the optical transition rates between different sub-bands are determined. The tight-binding method is known to be computationally efficient and can be well used in conjunction with transport calculations.  A suitable model for the devices considered has to address various effects: Quantum mechanical confinement, tunneling and interference, coupling of the semiconductor region to the contacts (open systems), non-equilibrium conditions (voltage applied to the contacts, irradiation), electron-phonon scattering, electron-photon interaction, and space charge effects. The non-equilibrium Green’s function (NEGF) formalism has proven well suited for the numerical study of such problems. In a first stage, a quantum-ballistic transport model will be implemented and applied to the considered nano-structures. In a second stage, both elastic and inelastic scattering mechanisms due to acoustic and optical phonons are included. Scattering broadens the density of states,  which in turn will affect significantly the optical properties of the device. The effect of these scattering mechanisms on the optical transition rates is investigated. Since perfect edges for graphene nano-ribbons and graphene anti-dots cannot be obtained, the effect of line-edge roughness on the band structure is investigated. The device simulator for graphene-based FETs and FET infra-red photo detectors will extensively be used to analyze this new class of opto-electronic devices. The choice of the metal for the electrodes and of the geometrical parameters has a strong effect on device performance. Ways to optimize the electrical and opto-electrical characteristics of the devices by appropriate tuning of these design parameters are theoretically investigated.

Dieses Projekt ist Teil eines Gemeinschaftsprojekts, das sich mit der Entwicklung von Graphene-basierten Feldeffekttransistoren (FET) und Photodetektoren, deren Charakterisierung und physikalischer Modellierung befasst.  Numerische Simulation ermöglicht das  physikalische Verständnis der Funktionsweise dieser elektronischen und optoelektronischen Bauelemente zu vertiefen und kann zum Entwurf und  zur Optimierung dieser Bauelemente eingesetzt werden. Um eine Bandlücke in Graphene zu erzeugen, werden zwei Klassen von Nanostrukturen betrachtet, nämlich Graphene-nano-ribbons und anti-dot-Übergitter. Die elektronische Struktur dieser Nanostrukturen werden mit Hilfe der tight-binding-Methode untersucht und geeignete Entwurfsparameter von diesen theoretischen Berechnung abgeleitet. Aus der elektronschen Struktur werden die optischen Übergangsraten zwischen den Subbändern bestimmt. Die tight-binding-Methode ist Rechenzeit-effizient und wird oft in Verbindung mit Transportrechnungen eingesetzt. Ein geeignetes Modell für die betrachteten Bauelemente muss folgende Effekte berücksichtigen: quantenmechanische Einschränkung, Tunneln und Interferenz, Koppelung des Halbleitergebiets an die Kontakte (offenes System), Nichtgleichgewicht (angelegte Spannung, Bestrahlung), Elektron-Phonon und Elektron-Photon Wechselwirkung, sowie Raumladungseffekte. Diese Effekte können mit Hilfe von Nichtgleichgewichts-Green-Funktionen beschrieben werden. Zuerst wird ein quanten-ballistisches Transportmodell implementiert, und damit werden die betrachteten Nanostrukturen untersucht. Dann werden durch Phononen induzierte elastische und inelastische Streuprozesse inkludiert. Streuprozesse verbreitern die Zustandsdichte, was sich wiederum auf die  optischen Übergänge auswirkt. Der Einfluss der Streuprozesse auf die optischen Übergangsraten wird daher untersucht. Auch der Einfluss der Kantenrauigkeit von nano-ribbons und anti-dots auf die elektronische Struktur ist zu untersuchen. Mit Hilfe des entwickelten Simulators für Graphene-basierte Bauelemente werden FETs und FET-infrarot-Photodetektoren ausführlich untersucht. Die Wahl des Elektrodenmetalls und der geometrischen Abmessungen beeiflussen stark die Bauelementeeigenschaften. Möglichkeiten zur Optimierung der elektrischen und optoelektronischen Eigenschaften dieser Bauelemente werden theoretisch untersucht.