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Tipo: Tese
Título: Estudo Numérico Comparativo de Desempenho de Dispositivos Baseados em Grafeno para Aplicações em Optoeletrônica
Autor(es): Neves, Daniel Marchesi de Camargo
Orientador: Silva, João Batista Rosa
Palavras-chave: Análise numérica;Semicondutores;Metais
Data do documento: 25-Jan-2021
Citação: NEVES, D. M. C. (2021)
Resumo: Neste trabalho, foram realizadas investigações numéricas de modelagem e otimização para estruturas com potenciais aplicações em dispositivos optoeletrônicos em que o material grafeno foi utilizado em ambos a fim de alcançar um desempenho melhorado. Para a primeira parte do trabalho, foi realizada uma análise numérica a fim de se obter as condições limite para miniaturização de duas configurações distintas de moduladores ópticos baseados em grafeno em domínio de frequência de infravermelho próximo utilizando estruturas de ressoadores all-pass em geometria anelar, ambos sintonizados, no estado desligado, para a condição de acoplamento crítico. Para ambos os casos, foram consideradas como parâmetros de corte a energia por bit dos moduladores (< 100 fJ/bit) e as perdas por inserção do estado ligado (-3dB). Considerando estes parâmetros mencionados, os resultados deste trabalho mostram grande potencial de miniaturização (8,89 e 10,05µm2), baixo consumo de potência (33,57 e 100 fJ/bit) e grande largura de banda de modulação (285,53 e 131,9 Ghz) para ambas as configurações de moduladores propostos, indicando os caminhos a serem seguidos nos processos de fabricação para se obter as configurações de melhor desempenho. Já a segunda parte consistiu em uma análise numérica comparativa entre dispositivos de fotodetecção em domínio UV utilizando o Carbeto de Silício (4H-SiC) na camada ativa, de configuração Metal- Semicondutor-Metal (MSM). Para fins de comparação de desempenho, utilizou-se como materiais eletrodos o grafeno e o níquel. A análise consistiu em comparar o desempenho do fotodetector (medido em função da fotocorrente, corrente de escuro e razão sinal/ruído) para diferentes variações de propriedades físicas e geométricas para os dois tipos de materiais eletrodos, a fim de observar as vantagens e desvantagens e buscar definir a configuração ótima para cada um deles. Os resultados mostraram melhor desempenho para eletrodos de grafeno em comparação com o níquel, tanto em termos de menor ruído como melhor fotocorrente, o que possibilita a utilização deste material como tecnologia a substituir os eletrodos feitos de metais tradicionais, cuja opacidade a luz é um fator de grande limitação de desempenho, em especial para a configuração MSM. Adicionalmente, o trabalho de otimização para ambas estruturas possibilita um direcionamento mais preciso para sua fabricação na melhor configuração possível.
Abstract: In this work, we performed a numerical investigation of modeling and optimization of several devices for optoelectronic applications in which the graphene was used in order to improve the performance of the device. In the first part, a numerical investigation has been performed on the limits of miniaturization for a graphene-assisted modulator considering two different configurations, in both cases the critical coupling condition representing the OFF state, and the transmission level of -3 dB the ON state. In addition, the power consumption per bit of 100 fJ/bit was established as the cutoff parameter for both modulator configurations, as well as the minimum insertion loss for the ON state of 0.4 eV for the hybrid modulator. Considering the parameters aforementioned, our results showed that both configurations of modulators have great potential of miniaturization, high modulation speed and low power consumption. This work, therefore, provides a theoretical framework for the fabrication of graphene-based modulators in its optimal configuration, in terms of minimum energy consumption per bit (33.57 and 100.07 fJ/bit), as well as wide modulation bandwidth (285.53 and 131.9 Ghz), for which we have the smallest dimension (8.89 and 10.05µm2) that allows maintaining a satisfactory efficiency in terms of extinction ratio and energy expenditure. The second part consisted of a comparative numerical analysis between photodiodes which operates in the UV domain using Silicon Carbide (4H-SiC) in the active layer, of Metal-Semiconductor-Metal (MSM) configuration. For performance comparison purposes, graphene and nickel were used separately as electrode materials. The analysis consisted of comparing the performance of the photodetector (measured as a function of the current photo, dark current and signal to noise ratio) for different variations of physical and geometric properties for the two types of electrode materials, in order to verify the advantages and drawbacks for each material, and also to set the optimal configuration for each one. The results have shown that using graphene as an electrode layer can improve the photodetector performance in comparison to nickel, especially in terms of photocurrent, without the penalty of an increasing in dark current, which makes it possible to use this material as a promising technology to replace the traditional metallic electrodes, whose opacity to light is a great issue to overcome, especially for the MSM configuration, once it reduces the performance threshold. Furthermore, the optimize version of both structures obtained in this work has also a great importance in order to help fabrication process, which the main goal is to find the best configuration as possible.
Descrição: NEVES, Daniel Marchesi de Camargo. Estudo Numérico Comparativo de Desempenho de Dispositivos Baseados em Grafeno para Aplicações em Optoeletrônica. 2021. 107 f. Dissertação (Doutorado em Engenharia de Teleinformática) – Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2021.
URI: http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/62817
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