碲镉汞APD平面型PIN结构仿真设计
发布时间：2021-01-17 11:39
碲镉汞（HgCdTe）线性雪崩焦平面因其相对低的过剩噪声、较小的工作电压、线性可调等优点,得到了广泛关注。基于电子雪崩中波HgCdTe PIN二极管结构,开展暗电流模型和Okuto-Crowell增益模型仿真。通过改变器件材料结构参数模拟不同电压下的暗电流和增益特性。计算讨论了不同I区（本征区）厚度和载流子浓度对器件暗电流和增益的影响。结果表明结区峰值场强的变化会导致直接隧穿（BBT）电流产生率数量级上的剧烈变化;增加I区厚度和降低I区掺杂浓度可有效抑制BBT电流;增益随场强的变化趋势与BBT电流随场强的变化趋势一致;因此抑制BBT电流的措施会造成增益性能的下降,需要优化参数以获得最佳性能。综合考虑暗电流和增益性能,I区的厚度应不小于3μm,I区浓度需控制在5×1014cm-3以下。单元中波APD的增益实验结果与仿真数据较好地吻合,表明了理论模型的正确性。
【文章来源】：红外与毫米波学报. 2020,39(01)北大核心
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
增益归一化暗电流（GNDC）与I区浓度Ni(a）和I区厚度Di(b）的关系
上述的材料参数由实际测试得出，APD器件N-区的浓度与厚度通过电容-电压（CV）法测试得到。这两组器件的注入条件相同，编号lpex0406c器件的本底P浓度比lpev0997b器件的高，这导致需要更多的Hg填隙原子才能将材料中的Hg空位复合掉。因此，相较于lpev0997b器件，lpex0406c器件经过注入形成的N-区宽度更小。上文的分析表明，较小的N-区宽度对应更大的BBT电流。如图8为编号lpev0997b和lpex0406c器件的暗电流和增益实验数据与仿真数据对比（注意：这里的暗电流水平用暗电流对光敏元面积的暗电流密度来表示），仿真与实验均在温度80K下进行。可以看到，器件lpev0997b的暗电流整体较器件lpex0406c的低，大反偏下（>3V),lpex0406c器件暗电流开始快速上升，此时对应的的是BBT电流占主导，这与上文的分析相符；器件lpex0406c在5.2V之后，器件开始击穿，实验测得暗电流开始明显的大于仿真电流。由于lpex0406c器件的暗电流较大，大反偏下（>3V）无法有效的分辨光电流和暗电流，3V之后的增益曲线不正常；但是可以看到，3V之前的增益曲线与仿真数据符合的很好。在3V之前，lpev0997b和lpex0406c器件的增益曲线几乎重合，这与图6(a）相一致（在Ni为～1015cm-3及以上的量级，小偏压增益几乎相同）。综上所述，实验结果表明，仿真结果能与实验结果较好的吻合。
PIN结构是常规PN结中间加入一层低浓度的本征层（intrinsic region）。I层中的载流子浓度很低，在反偏工作状态中会完全耗尽，因此APD器件的PN结宽度比常规器件大得多，有效地降低了耗尽区的局域电场，从而有效抑制暗电流；较大PN结宽度的器件具有较小的结电容，减小了RC常数，可以减小器件的响应时间。在大反偏下，I层集中大部分电压，成为载流子发生碰撞电离的主要区域（即雪崩区），通过改变I层宽度和掺杂浓度等参数便可以调节APD器件的雪崩增益特性以及暗电流特性。在较高的反向偏压下，带间直接隧穿电流开始占据暗电流的主导地位，成为制约器件性能的瓶颈。本文针对Cd组分为0.3的中波碲镉汞PIN平面结APD器件，构建了暗电流模型，主要包含扩散电流、产生复合电流、隧穿电流，并采用Okuto-Crowel离化系数模型，深入研究了暗电流成分、器件增益与I区厚度、I区载流子浓度之间的关系，设计出了性能优良的APD器件结构，并得到了实验验证。1 理论模型
本文编号：2982808
【文章来源】：红外与毫米波学报. 2020,39(01)北大核心
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
增益归一化暗电流（GNDC）与I区浓度Ni(a）和I区厚度Di(b）的关系
上述的材料参数由实际测试得出，APD器件N-区的浓度与厚度通过电容-电压（CV）法测试得到。这两组器件的注入条件相同，编号lpex0406c器件的本底P浓度比lpev0997b器件的高，这导致需要更多的Hg填隙原子才能将材料中的Hg空位复合掉。因此，相较于lpev0997b器件，lpex0406c器件经过注入形成的N-区宽度更小。上文的分析表明，较小的N-区宽度对应更大的BBT电流。如图8为编号lpev0997b和lpex0406c器件的暗电流和增益实验数据与仿真数据对比（注意：这里的暗电流水平用暗电流对光敏元面积的暗电流密度来表示），仿真与实验均在温度80K下进行。可以看到，器件lpev0997b的暗电流整体较器件lpex0406c的低，大反偏下（>3V),lpex0406c器件暗电流开始快速上升，此时对应的的是BBT电流占主导，这与上文的分析相符；器件lpex0406c在5.2V之后，器件开始击穿，实验测得暗电流开始明显的大于仿真电流。由于lpex0406c器件的暗电流较大，大反偏下（>3V）无法有效的分辨光电流和暗电流，3V之后的增益曲线不正常；但是可以看到，3V之前的增益曲线与仿真数据符合的很好。在3V之前，lpev0997b和lpex0406c器件的增益曲线几乎重合，这与图6(a）相一致（在Ni为～1015cm-3及以上的量级，小偏压增益几乎相同）。综上所述，实验结果表明，仿真结果能与实验结果较好的吻合。
PIN结构是常规PN结中间加入一层低浓度的本征层（intrinsic region）。I层中的载流子浓度很低，在反偏工作状态中会完全耗尽，因此APD器件的PN结宽度比常规器件大得多，有效地降低了耗尽区的局域电场，从而有效抑制暗电流；较大PN结宽度的器件具有较小的结电容，减小了RC常数，可以减小器件的响应时间。在大反偏下，I层集中大部分电压，成为载流子发生碰撞电离的主要区域（即雪崩区），通过改变I层宽度和掺杂浓度等参数便可以调节APD器件的雪崩增益特性以及暗电流特性。在较高的反向偏压下，带间直接隧穿电流开始占据暗电流的主导地位，成为制约器件性能的瓶颈。本文针对Cd组分为0.3的中波碲镉汞PIN平面结APD器件，构建了暗电流模型，主要包含扩散电流、产生复合电流、隧穿电流，并采用Okuto-Crowel离化系数模型，深入研究了暗电流成分、器件增益与I区厚度、I区载流子浓度之间的关系，设计出了性能优良的APD器件结构，并得到了实验验证。1 理论模型
本文编号：2982808
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/dianzigongchenglunwen/2982808.html
