InGaAs探测器的光电性能仿真与结构优化研究

发布时间：2017-10-20 22:16

  本文关键词：InGaAs探测器的光电性能仿真与结构优化研究

  更多相关文章： 短波红外 In GaAs 暗电流 TCAD软件 结构优化 电子阻挡层

【摘要】：短波红外In GaAs探测器在近室温下具有良好的性能,在航天遥感领域有着重要的应用价值。为进一步提升短波红外InGaAs探测器的性能,本论文重点研究了InAlAs帽层的晶格匹配和延伸波长探测器的关键结构参数对暗电流的影响,并进行了实验验证,研究了器件暗电流机制;仿真了吸收层内含有电子阻挡层器件的暗电流特性,与无电子阻挡层结构器件特性进行对比分析,并对电子阻挡层的位置和周期进行了仿真优化,获得了抑制暗电流的优化结构参数。概述了建立仿真建模的过程,包括模块的选择、结构定义、物理模型设定、数值方法选择、器件特性获取以及结果分析等。另外,还有实时输出窗口可以用来直接查看结果并调试模型的参数等,概述了Atlas软件仿真的基本流程。采用Atlas器件仿真软件,研究了与InP衬底晶格匹配的InAlAs帽层器件的暗电流机制,分析了吸收层厚度和掺杂浓度对器件暗电流的影响。研究发现,吸收层厚度在0.25μm以内时,暗电流会随着厚度增大而减小,进一步增大厚度时,暗电流的变化较小;吸收层浓度增大,暗电流会减小,但是浓度增大到一定程度将会影响到光的吸收效率。通过实验验证,分析器件的暗电流机制,发现室温下器件的暗电流主要由扩散电流主导。采用标准替代的方法,研究了光栅光谱仪和傅里叶光谱仪校准器件的响应光谱,结果表明,利用已知的标准器件及其标准光谱,两者都可以用来校准待测器件的响应光谱。傅里叶光谱仪由于具有便携操作性,信号较强,稳定性高等优点,一般得到的结果相对优于光栅光谱仪。采用Atlas器件仿真软件研究了InAlAs帽层延伸波长器件的暗电流机制,分析了吸收层厚度和掺杂浓度对器件暗电流的影响,同时研制了基于界面数字超晶格结构的In GaAs探测器,并测试了器件的暗电流和响应光谱。器件响应光谱与仿真拟合结果基本一致。在暗电流特性方面,在-0.01V下,300K和200K时的暗电流大小为6.47×10-9A和1.05×10-12A。并分析了暗电流温度特性,获得了激活能,220K-300K拟合的激活能为Ea=0.38eV,表明近室温下暗电流电流以扩散和产生复合为主,理论仿真结果一致。在吸收层内插入电子阻挡层是抑制器件暗电流的一种方法,它改变了载流子的传输,且能够减小晶格失配带来的应力并降低缺陷密度。本论文研制了含电子阻挡层的器件D2,测试其在室温和低温下的暗电流,并与无电子阻挡层器件D1的电流特性进行了对比。结果表明,D2器件暗电流小于D1器件,在偏压-0.01V,室温下D1和D2测试的的暗电流的特征值是8.27×10-4A/cm2和3.25×10-4A/cm2,与仿真结果基本一致;温度降低时,D1和D2器件暗电流均下降,且下降幅度基本一致;这是因为电子阻挡层在导带中形成势垒,阻碍电子传输,而在价带中几乎没有势垒的影响,所以其作用是延长了少子的寿命,抑制了复合电流。基于以上研究,本论文采用仿真方法对器件的结构进行了优化,分析了超晶格电子阻挡层的位置和周期变化时对暗电流的影响,发现电子势垒位置接近吸收层中间且周期厚度为15nm时,可以获得较小的暗电流。
【关键词】：短波红外 In GaAs 暗电流 TCAD软件 结构优化 电子阻挡层
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(上海技术物理研究所)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN215
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 1 引言12-26
• 1.1 短波红外探测器的研究背景和意义13-19
• 1.1.1 In Ga As红外探测器工作原理13-16
• 1.1.2 In Ga As探测器研究进展16-19
• 1.2 TCAD软件在半导体器件仿真中的应用19-22
• 1.2.1 常见TCAD软件技术19
• 1.2.2 Silvaco Atlas软件介绍及应用19-22
• 1.2.2.1 Silvaco软件发展19-20
• 1.2.2.2 Silvaco功能介绍20-21
• 1.2.2.3 Silvaco Atlas仿真工具及其流程21-22
• 1.2.2.4 Silvaco软件仿真应用22
• 1.3 In Ga As红外探测器仿真研究进展22-24
• 1.4 本论文的研究目的和主要内容24-26
• 2 In Ga As探测器仿真建模26-32
• 2.1 引言26
• 2.2 In Ga As探测器结构的定义26-28
• 2.2.1 网格定义26-27
• 2.2.2 定义区域和材料27
• 2.2.3 定义电极27
• 2.2.4 描述掺杂27-28
• 2.3 In Ga As探测器模型的选择28
• 2.4 数值方法的选择28-29
• 2.5 器件特性的获取与分析29
• 2.6 本章小结29-32
• 3 晶格匹配器件光电特性模拟与实验32-44
• 3.1 引言32
• 3.2 晶格匹配器件暗电流特性仿真32-36
• 3.2.1 器件结构与仿真模型32-35
• 3.2.2 电流-电压特性仿真35-36
• 3.3 单元器件光电性能分析36-39
• 3.3.1 器件研制36-37
• 3.3.2 性能测试与分析37-39
• 3.4 单元器件暗电流特性拟合39-41
• 3.4.1 理想因子拟合39-40
• 3.4.2 暗电流成分的拟合40-41
• 3.5 本章小结41-44
• 4 延伸波长器件性能仿真与优化44-66
• 4.1 引言44
• 4.2 暗电流理论44-47
• 4.2.1 台面型暗电流模型44-45
• 4.2.2 暗电流成分分析45-47
• 4.3 响应光谱校准47-51
• 4.3.1 替代法原理47-48
• 4.3.2 延伸波长器件的光谱校准48-51
• 4.4 暗电流特性仿真51-55
• 4.4.1 界面数字超晶格的结构和能带图51-53
• 4.4.2 吸收层浓度变化的暗电流特性53-54
• 4.4.3 吸收层厚度变化的暗电流特性54-55
• 4.5 延伸波长器件性能分析与结构优化55-64
• 4.5.1 界面数字超晶格器件研制与分析55-60
• 4.5.1.1 台面型器件的研制55-56
• 4.5.1.2 电学特性测试56-57
• 4.5.1.3 光谱拟合分析57
• 4.5.1.4 暗电流拟合分析57-60
• 4.5.2 电子阻挡层结构器件研制与分析60-64
• 4.5.2.1 电子阻挡层的器件研制60
• 4.5.2.2 电子阻挡层的器件的特性60-62
• 4.5.2.3 电子阻挡层位置的优化62-63
• 4.5.2.4 电子阻挡层周期的优化63-64
• 4.6 本章小结64-66
• 5 总结与展望66-68
• 5.1 总结66-67
• 5.2 展望67-68
• 参考文献68-74
• 作者简介及在学期间发表的学术论文与研究成果74

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前3条

1 朱耀明;李永富;李雪;唐恒敬;邵秀梅;陈郁;邓洪海;魏鹏;张永刚;龚海梅;;基于N-on-P结构的背照射延伸波长640×1线列InGaAs探测器[J];红外与毫米波学报;2012年01期

2 邵秀梅;李淘;邓洪海;程吉凤;陈郁;唐恒敬;李雪;;平面型24元InGaAs短波红外探测器[J];红外技术;2011年09期

3 李永富;唐恒敬;李淘;朱耀明;汪洋;殷豪;李天信;缪国庆;李雪;龚海梅;;InP/In_xGa_(1-x)As异质结构中Zn元素的扩散机制[J];红外与激光工程;2009年06期

，

本文编号：1069669