日盲紫外探测器数值仿真与集成器件制备

发布时间：2017-04-02 13:03

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【摘要】：三元半导体Al Ga N是一种宽禁带直接带隙半导体材料,通过改变Al的组分x,其禁带宽度可以实现从6.2e V到3.4e V连续可调,对应的响应截止波长为200nm~365nm,完全覆盖了日盲紫外波段。因此使用Al Ga N材料制作的日盲紫外探测器得到了广泛的研究和应用。通常背照式日盲紫外探测器的制备是使用蓝宝石(Al2O3)衬底上生长的多层Al Ga N材料,并且主要采用p-i-n结构。为了实现焦平面探测器响应信号读出,一般使用Si标准MOS工艺制作读出电路,最后将读出电路与探测器倒焊互联。但是这一读出方式引入了读出电路附加电容、In柱互联附加电容等,这些寄生电容削弱了得到的电流信号的强度。如果能在探测器本身集成信号放大器件或电荷存储器,对探测器的光生电流进行放大或转换成电压后再导出处理,将会大大提高输出信号的大小,降低寄生电容的影响。本文首先对p-i-n日盲紫外探测器和具有放大作用的MESFET器件进行了数值仿真;在理论数据的指导下,探索器件制备工艺,制备了具有前置放大的日盲紫外探测器;并对器件进行了测试与分析。首先,对半导体光电器件中的物理模型进行了总结与分析,然后应用到p-i-n结构的日盲紫外探测器的理论计算中,得到了p-i-n器件的响应光谱和I-V特性。将响应光谱的仿真曲线与实际测试数据进行拟合,对载流子的SRH复合寿命参数进行了修正,得到的SRH复合寿命在10-11s量级,并使用修正后的SRH复合寿命得到了与实验数据相近的响应光谱计算结果。本文还研究了载流子的SRH复合寿命对响应光谱的影响,得到了一系列曲线。结果显示,SRH复合寿命为10-10s量级时,器件在响应波段的响应率与响应波段之前的响应率之比达到最高。然后又对p-Ga N材料上制备的MESFET器件进行了I-V仿真,得到了MESFET器件具有信号放大功能的结论。其次,制备了具有多层材料结构的日盲紫外集成器件。其中探测器部分是具有p-i-n结构,响应波长为250nm~285nm的紫外探测器。而信号的转换和放大器件采用MIS电容和MESFET器件。然后设计工艺步骤,在同一块实验材料上制备了p-i-n日盲紫外探测器,MIS电容,MESFET器件,以及p-i-n+MIS电容和pi-n+MESFET器件的集成前置放大的日盲紫外探测器。最后对制备得到的器件进行测试。对介质层厚度分别为50nm和150nm的MIS器件进行了C-f和C-V测试,发现介质层为50nm的MIS器件有轻微漏电,介质层为150nm的MIS器件表现出较好的电容特性;对MESFET器件进行了I-V响应测试,发现栅极电压越小,源漏之间的导电性越好,因此MESFET器件可以作为信号放大器;对两种集成了前置放大的日盲紫外探测器进行了测试,并与未集成放大的探测器输出信号对比,发现探测器上集成MESFET器件和MIS电容对信号有一定的放大作用。集成了MIS电容也可以将输出电流转换为电压。
【关键词】：日盲紫外 集成 数值仿真 MIS电容 MESFET器件
【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】：TN23
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-7
• ABSTRACT7-11
• 1 引言11-19
• 1.1 绪论11-15
• 1.2 日盲紫外探测器发展概况15-17
• 1.3 论文内容及写作安排17-19
• 2 材料特性与器件原理19-25
• 2.1 材料特性19-21
• 2.2 器件原理21-24
• 2.2.1 AlGaN p-i-n日盲紫外探测器21-22
• 2.2.2 金属-绝缘体-半导体器件（MIS）22-23
• 2.2.3 金属-半导体场效应晶体管（MESFET）23-24
• 2.3 小结24-25
• 3 半导体器件物理模型25-39
• 3.1 泊松方程25
• 3.2 连续性方程25
• 3.3 输运方程25-26
• 3.3.1 漂移扩散模型25-26
• 3.3.2 能量平衡输运模型26
• 3.4 费米-狄拉克分布模型26-27
• 3.5 能带模型27-28
• 3.5.1 一般能带模型27-28
• 3.5.2 禁带变窄效应28
• 3.6 迁移率模型28-31
• 3.6.1 低场迁移率模型29-30
• 3.6.2 高场迁移率30-31
• 3.7 复合模型31-37
• 3.7.1 直接复合31-33
• 3.7.2 间接复合33-35
• 3.7.3 表面复合35
• 3.7.4 俄歇复合35-36
• 3.7.5 光学复合36
• 3.7.6 Shockley-Read-Hall (SRH) 复合36-37
• 3.8 光的吸收与折射37
• 3.9 小结37-39
• 4 半导体器件数值仿真39-57
• 4.1 Silvaco-TCAD软件39-42
• 4.1.1 Deckbuild39-40
• 4.1.2 ATLAS40-41
• 4.1.3 Tonyplot41
• 4.1.4 仿真流程41-42
• 4.2 器件模型和仿真结果42-56
• 4.2.1 p-i-n日盲紫外探测器仿真42-53
• 4.2.2 MESFET器件仿真53-56
• 4.3 小结56-57
• 5 日盲紫外探测集成器件制备57-73
• 5.1 器件设计方案57-58
• 5.2 器件制备工艺58-60
• 5.2.1 器件版图58
• 5.2.2 集成前置放大的日盲紫外探测器的制备工艺58-60
• 5.3 器件性能测试60-72
• 5.3.1 测试平台60-61
• 5.3.2 测试结果61-72
• 5.4 小结72-73
• 6 总结与展望73-75
• 6.1 总结73-74
• 6.2 展望74-75
• 参考文献75-78
• 作者简介及在学期间发表的学术论文与研究成果78

【参考文献】

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1 李p，

本文编号：282522