高灵敏度共振隧穿二极管探测器的研究

发布时间：2017-10-27 01:18

  本文关键词：高灵敏度共振隧穿二极管探测器的研究

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【摘要】：近红外探测器已得到长足发展,却依然存在着诸多不足,这大大制约了光电探测的应用。作为纳电子器件的代表,共振隧穿二极管探测器工作电压小,响应频率快,已被证明是良好的高灵敏度近红外探测器,具有重要的研究价值和应用前景。能与InP衬底完美晶格匹配的InGaAs覆盖了近红外光谱中最主要的波段,是公认的近红外探测器的理想材料体系之一。本论文系统研究了基于InP衬底、以InGaAs为吸收层的共振隧穿二极管探测器的分子束外延生长和工艺制备。主要研究内容和结果如下：1.研究了InP衬底上分子束外延生长In0.53Ga0.47As、AlAs等外延材料的条件与方法,确定了InP衬底上外延生长In0.53Ga0.47As、AlAs等外延材料的流程及参数,制备了与InP衬底晶格匹配的InGaAs外延材料,生长的InGaAs外延材料In组分为0.529,RMS粗糙度为0.17 nm。2.通过有限元仿真模拟方法研究了共振隧穿二极管探测器的电学性能(暗电流水平)。研究了探测器双势垒结构掺杂类型和掺杂浓度对器件本征电流抑制的影响。模拟发现,对探测器双势垒结构进行p型掺杂,当掺杂浓度为2×1018mol/cm3时,探测器的隧穿峰值电流比非掺杂的双势垒结构的探测器的隧穿峰值电流小将近3个数量级。3.设计了单台面结构探测器的工艺流程,制备了单台面结构单元探测器和单台面结构象限探测器。提出了双台面结构的探测器结构,并设计了工艺流程,通过多步光学光刻和电感耦合等离子体刻蚀技术实现了微柱结构,实现了双台面结构探测器制备。4.提出了通过对双势垒结构进行p型掺杂来抑制探测器本征电流密度的方法,设计了双势垒结构p型掺杂单台面结构探测器的外延结构,制备了双势垒结构p型掺杂的单台面结构探测器。在300 K温度下、0.8 V时探测器暗电流密度为0.15 A/cm2,这比双势垒结构非掺杂的单台面结构探测器的暗电流密度小4个数量级。5.对双台面结构探测器进行电学和光学测试。在77 K温度下,双台面结构探测器在1.25 V时的暗电流密度为498.79 A/cm2；在300 K温度下,双台面结构探测器的灵敏度最高达到了1.15×105A/W。
【关键词】：近红外探测器 共振隧穿二极管 分子束外延 有限元仿真 双势垒结构 本征电流
【学位授予单位】：广西大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN215;TN15
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 绪论11-33
• 1.1 引言11-12
• 1.2 常见光电探测器12-15
• 1.2.1 光电倍增管12-13
• 1.2.2 雪崩二极管13-14
• 1.2.3 pin光电二极管14-15
• 1.3 共振隧穿二极管探测器15-25
• 1.3.1 RTD结构17-18
• 1.3.2 RTD工作原理18-23
• 1.3.3 RTD-PD工作原理23-25
• 1.4 RTD-PD研究历史及研究现状25-31
• 1.4.1 RTD-PD研究历史25-28
• 1.4.2 RTD-PD研究现状28-31
• 1.5 本论文研究目的31-33
• 第二章 外延薄膜生长原理及性能表征33-42
• 2.1 RTD-PD结构生长33-38
• 2.1.1 分子束外延系统33-36
• 2.1.2 外延材料生长原理36-38
• 2.2 外延材料与探测器性能表征38-41
• 2.2.1 外延材料表征38-39
• 2.2.2 探测器性能表征39-41
• 2.3 本章小结41-42
• 第三章 器件模拟42-49
• 3.1 Silvaco TCAD42-43
• 3.2 结构设定43-44
• 3.3 器件建模与仿真44-45
• 3.3.1 结构定义44
• 3.3.2 材料模型设定44-45
• 3.3.3 数值模拟方法选择45
• 3.3.4 特性获取45
• 3.3.5 结果分析45
• 3.4 仿真结果与分析45-48
• 3.4.1 不同形式掺杂时的电流抑制45-46
• 3.4.2 不同浓度掺杂时的电流抑制46-48
• 3.5 本章小结48-49
• 第四章 RTD-PD外延生长及工艺流程设计49-59
• 4.1 RTD-PD外延生长49-52
• 4.2 RTD-PD工艺制备52-55
• 4.2.1 光刻技术52-53
• 4.2.2 图形转移技术53-55
• 4.3 工艺制备流程设计55-58
• 4.3.1 单台面结构工艺流程55-56
• 4.3.2 双台面结构工艺流程56-58
• 4.4 本章小结58-59
• 第五章 单台面结构RTD-PD制备59-73
• 5.1 单台面结构RTD-PD外延结构设计59-60
• 5.1.1 具有InAs空穴堆积层外延结构设计59-60
• 5.1.2 双势垒结构p型掺杂的外延结构设计60
• 5.2 单台面结构RTD-PD工艺制备60-66
• 5.3 器件结果与分析66-71
• 5.3.1 电学性质测试分析66-68
• 5.3.2 光电响应测试分析68-71
• 5.4 本章小结71-73
• 第六章 双台面结构RTD-PD制备73-84
• 6.1 双台面结构RTD-PD外延结构设计73
• 6.2 双台面结构RTD-PD工艺制备73-80
• 6.3 器件结果与分析80-83
• 6.3.1 电学性质测试分析80-81
• 6.3.2 光电响应测试分析81-83
• 6.4 本章小结83-84
• 第七章 总结84-86
• 参考文献86-91
• 致谢91-92
• 攻读学位期间发表的论文及专利92-93

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本文编号：1101302