基于硅基雪崩光电二极管中双光子吸收特性的红外光子探测研究
发布时间：2021-08-31 06:28
硅基雪崩光电二极管（Si-APD）作为性能卓越,工艺成熟的半导体器件应用十分广泛。但受禁带宽度的限制,工作波长是局限在可见光波段,限制了其在红外光子探测领域的发展。然而,由于非线性光学的研究发展迅速,非线性光学效应被用来扩大Si-APD的工作波长范围并提高其在红外波段的探测效率。其中双光子吸收效应与频率上转换探测机制相比较,不需要特制的非线性晶体和复杂的光路系统,也不需要严苛的相位匹配条件和工作环境,所以利用Si-APD的双光子吸收效应实现红外光探测时可以有较宽的工作波长范围。因此双光子吸收效应在Si-APD探测微弱红外光的实现上具有很广阔的研究前景。双光子吸收是指介质中的载流子同时吸收两个光子后向更高能级跃迁的过程。在该过程中,由于强光场的作用,载流子几乎同时吸收两个光子,并且两个光子的能量之和要等于或大于介质的禁带宽度,使得介质中的载流子能够通过“虚态”,从价带顺利跃迁到导带,并通过载流子的运动产生光电流,之后光电流通过雪崩效应进行倍增,从而使得Si-APD成功实现对红外光子的探测。Si-APD中的双光子吸收效应研究也为宽带红外光子探测在光学取样、光梳激光测距、红外生物图像等不同应...
【文章来源】：华东师范大学上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：53 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－１扩散保护环结构雪崩光电二极管示意图??Ｓｉ－ＡＰＤ可以被看作是反向偏置的ＰＮ结，以常见的扩散保护环结构为例，如??图１－１所录
?华东师范大学硕士学位论文???时间逐渐消失，其碰撞电离仍将持续，直到耗尽层没有载＆子为止。源源不断的??雪崩电流汇集起来，形成了可供检测的光电流。??Ｎ?？?Ｐ??＋?－??〇?＜－？??ａ?ｂ?ｃ??图１－２雪崩效应中电子空穴对碰撞过程??１．２．２霪要参数??雪崩光电二极管在篕革模式下有一些重要的性能指标：着崩电压＞?探测效率，??光谱响应范＿，暗计数等ｓ??Ｌ雪崩电压??雪崩光电二极管在一个电压值下工作时，二极營内部载流子会引发雪崩倍增??过程，这个电压值被称为雪崩电压［２９］。在倍增过程中，倩号经过一个放人过程，??该过程可以用倍增因子来描述。理论上彎崩倍增过程中，倍增因子的值是无穷大??的。器件材料不同，结构不同，以及器件工作时的温度不同，都会导致霄崩电压??不同。一般来讲，器件材料及结构确定后，ｄ极管工作时的温度越高，霄崩电压??值越＿?６．??２．探测效率??雪崩光电二极管的光电信号的转换效率由探测效率来表征。??探测效率表示为二极管吸收入射光子后，生成的电子Ｓ穴对数量与吸收光子??数量的比值［３叱即探测效率表不为：??产生电乎生穴对数目ＩＪｑ??ｎ￣?入射光子数肖?ｋ?■??／?ｆｉｃｏ??其中／Ｐ为二极管产生的光电流，Ｐｉｎ为入射二极管的光功率，ｇ为二极管内部的??电子电荷，为二极管吸收光子的能量。??探测效率会受到入射光的波长，入射光子与探测器件耦合，器件工作电压，??５??
?华东师范大学硕士学位论文???ＳｉＣ?（碳化硅），ＧａＮ?（氮化镓）材料的二极管。不同材料的二极管对应的工作??波段如图１－３所示［３６］。??１?Ｇｅ?１??｜?Ｓｉ?＂｜??［ＧａＮ］??ｉ?ｉ?ｉ?ｉ?ｉ?ｉ?ｉ?ｉ?ｉ?ｉ?ｉ?ｉ?ｉ?ｉ?ｉ?ｉ?ｉ?ｉ??０?０．２?０．４?０．６?０．８?１．０?１．２?１．４?１．６?１．８?ｐｍ??图１－３不同材料的霄：崩光电二极晉工作波长示意图??１．碳化硅；氮化镓雪崩光电二极管??目前，紫外波段光在医疗和国防领域已经有了很多应用，传统上＃紫外光的??检测是通过光电倍增管来实现的，因为其暗电流低，且响应速度快，但是光电倍??增管工作时需要加载很高的电压，且器件的体积大，这些问题制约了它们的发展。??所以人们Ｂ经在尝试用氮化镓，碳化硅材料的雪崩光电二极管来进行紫外光的检??测，两者禁带宽度都为３．３?ｅＶ左右氮化镓二极管的研宄已经：有了一些成果，??其有较高的击穿电压，有的高达１０?Ｖ，有较好的热稳定型，并且电子漂移饱和速??率裔务热导率赢，但材料制造工艺还不成熟，器件成品率低，寿命短，要想实现??大规模应用还有很多障碍需要克服［３８４（）］。另外，碳化硅雪崩光电二极管发展要好??一些，它的空穴电离系数要远大于电子的电离系数，这样制造出的＿极管噪声比??较低，并且材料工艺也较为成熟，是很有潜力的紫外光波段的单光予探测器。??２．桂，锗雪崩光电二极管??最常见材料的雪崩光电二极管就是由ＩＶ族材料硅和锗构成的，它们是半导体??器件中最为常用的材料。它们在很久以前就被深入研宄并被广泛使用在半导体制??造领域。并麗貨为低廉的价格，成熟的ｉ艺莉稳定性好的
【参考文献】：
期刊论文
[1]光电效应的理论解释[J]. 张秀乔. 物理通报. 1999(07)
[2]InGaAs/InGaAsP/InP SAGM—APD暗电流与光倍增因子的温度特性[J]. 丁国庆. 光通信研究. 1990(04)
[3]高效快速的硅雪崩光电二极管[J]. 朱华海. 半导体光电. 1980(01)
硕士论文
[1]新型台面结构硅基雪崩光电二极管的研究[D]. 崔文凯.北京工业大学 2014
本文编号：3374385
【文章来源】：华东师范大学上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：53 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－１扩散保护环结构雪崩光电二极管示意图??Ｓｉ－ＡＰＤ可以被看作是反向偏置的ＰＮ结，以常见的扩散保护环结构为例，如??图１－１所录
?华东师范大学硕士学位论文???时间逐渐消失，其碰撞电离仍将持续，直到耗尽层没有载＆子为止。源源不断的??雪崩电流汇集起来，形成了可供检测的光电流。??Ｎ?？?Ｐ??＋?－??〇?＜－？??ａ?ｂ?ｃ??图１－２雪崩效应中电子空穴对碰撞过程??１．２．２霪要参数??雪崩光电二极管在篕革模式下有一些重要的性能指标：着崩电压＞?探测效率，??光谱响应范＿，暗计数等ｓ??Ｌ雪崩电压??雪崩光电二极管在一个电压值下工作时，二极營内部载流子会引发雪崩倍增??过程，这个电压值被称为雪崩电压［２９］。在倍增过程中，倩号经过一个放人过程，??该过程可以用倍增因子来描述。理论上彎崩倍增过程中，倍增因子的值是无穷大??的。器件材料不同，结构不同，以及器件工作时的温度不同，都会导致霄崩电压??不同。一般来讲，器件材料及结构确定后，ｄ极管工作时的温度越高，霄崩电压??值越＿?６．??２．探测效率??雪崩光电二极管的光电信号的转换效率由探测效率来表征。??探测效率表示为二极管吸收入射光子后，生成的电子Ｓ穴对数量与吸收光子??数量的比值［３叱即探测效率表不为：??产生电乎生穴对数目ＩＪｑ??ｎ￣?入射光子数肖?ｋ?■??／?ｆｉｃｏ??其中／Ｐ为二极管产生的光电流，Ｐｉｎ为入射二极管的光功率，ｇ为二极管内部的??电子电荷，为二极管吸收光子的能量。??探测效率会受到入射光的波长，入射光子与探测器件耦合，器件工作电压，??５??
?华东师范大学硕士学位论文???ＳｉＣ?（碳化硅），ＧａＮ?（氮化镓）材料的二极管。不同材料的二极管对应的工作??波段如图１－３所示［３６］。??１?Ｇｅ?１??｜?Ｓｉ?＂｜??［ＧａＮ］??ｉ?ｉ?ｉ?ｉ?ｉ?ｉ?ｉ?ｉ?ｉ?ｉ?ｉ?ｉ?ｉ?ｉ?ｉ?ｉ?ｉ?ｉ??０?０．２?０．４?０．６?０．８?１．０?１．２?１．４?１．６?１．８?ｐｍ??图１－３不同材料的霄：崩光电二极晉工作波长示意图??１．碳化硅；氮化镓雪崩光电二极管??目前，紫外波段光在医疗和国防领域已经有了很多应用，传统上＃紫外光的??检测是通过光电倍增管来实现的，因为其暗电流低，且响应速度快，但是光电倍??增管工作时需要加载很高的电压，且器件的体积大，这些问题制约了它们的发展。??所以人们Ｂ经在尝试用氮化镓，碳化硅材料的雪崩光电二极管来进行紫外光的检??测，两者禁带宽度都为３．３?ｅＶ左右氮化镓二极管的研宄已经：有了一些成果，??其有较高的击穿电压，有的高达１０?Ｖ，有较好的热稳定型，并且电子漂移饱和速??率裔务热导率赢，但材料制造工艺还不成熟，器件成品率低，寿命短，要想实现??大规模应用还有很多障碍需要克服［３８４（）］。另外，碳化硅雪崩光电二极管发展要好??一些，它的空穴电离系数要远大于电子的电离系数，这样制造出的＿极管噪声比??较低，并且材料工艺也较为成熟，是很有潜力的紫外光波段的单光予探测器。??２．桂，锗雪崩光电二极管??最常见材料的雪崩光电二极管就是由ＩＶ族材料硅和锗构成的，它们是半导体??器件中最为常用的材料。它们在很久以前就被深入研宄并被广泛使用在半导体制??造领域。并麗貨为低廉的价格，成熟的ｉ艺莉稳定性好的
【参考文献】：
期刊论文
[1]光电效应的理论解释[J]. 张秀乔. 物理通报. 1999(07)
[2]InGaAs/InGaAsP/InP SAGM—APD暗电流与光倍增因子的温度特性[J]. 丁国庆. 光通信研究. 1990(04)
[3]高效快速的硅雪崩光电二极管[J]. 朱华海. 半导体光电. 1980(01)
硕士论文
[1]新型台面结构硅基雪崩光电二极管的研究[D]. 崔文凯.北京工业大学 2014
本文编号：3374385
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