硅基光电探测器的研究

发布时间：2017-10-07 04:08

  本文关键词：硅基光电探测器的研究

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【摘要】：探测,就像“人眼”一样,是人们探索和揭示未知世界不可或缺的重要技术手段。在众多的探测器件中,半导体探测器具有体积小、重量轻、抗震动、效率高、功耗低、寿命长、以及光谱范围广等优势,成为实现光信号探测的重要“载体”。半导体探测器不仅仅是半导体光电子学的重要组成部分,而且在军事、国防、深空探测、科学研究、医疗、光通信等应用领域中同样起到重要支撑作用,属于高新技术,是各个国家抢占的制高点。硅基光电探测器作为可见光和近红外波段探测器件的主力军,具有效率高、功耗低、体积小、抗震动等优点,在航空航天、安检、医疗、智能控制等领域广泛应用。但是,我国的硅基光电探测器件主要依赖进口,不仅导致其价格占整个设备的三分之一到一半,而且在高端器件方面受到国际上封锁,因此有必要独立自主地开展硅基光电探测器的研究。本论文基于半导体物理基本理论,以获得高量子效率的硅基PIN光电探测器为研究目标,提出载流子收集增强结构,对影响硅基PIN光电探测器量子效率和暗电流的重要因素展开了深入研究;并且利用蚁群算法对垂直入射和全角度入射宽光谱多层增透膜结构进行了优化设计;在实验上,制备出与日本滨松相同规格性能相当的硅基PIN光电探测器。具体开展工作如下:1、基于对探测器中光生载流子收集过程的深入分析以及量子效率、暗电流和电容性能与器件结构的关系,提出了载流子收集增强结构,通过在光敏面内增加重掺杂的叉指结构,引入横向电场对光生载流子进行调控,提高光生载流子的收集效率,减小光生载流子的表面复合,从而提高硅基PIN光电探测器的量子效率;2、通过对暗电流理论与实验数据的分析,找到了器件暗电流的根源,并进一步优化硅基PIN光电探测器的结构和制备工艺,包括优化退火温度、时间和离子注入能量和剂量等工艺条件,最终制备出与日本滨松相同规格性能相当的硅基PIN光电探测器。在实验上得到:10mV反向偏压时,载流子收集增强的叉指结构硅基PIN光电探测器的暗电流为1.3pA,优于滨松S5668器件的暗电流为4pA;在300nm-1100nm波长范围内,该器件的量子效率均大于滨松S5668器件的量子效率,特别在闪烁体的荧光峰540nm处,该器件的量子效率为81.3%,高于滨松S5668的64.6%。该器件在同方威视技术股份有限公司系统上进行示范验证,同时获得多个公司对该器件的认可;3、提出基于蚁群算法的宽光谱多角度增透膜结构的设计方法,均优于已报道的遗传算法等对增透膜结构的优化结果,显示了该设计方法的优越性。进一步在蚁群算法的评价函数中加权太阳光谱,提出用入射效率替代平均透射率作为优化过程的评价函数,同时考虑太阳光谱的时间和地理位置因素,以纬度递增的基多、北京和莫斯科三个城市为例,硅基太阳能电池水平放置于地面时,相比于无太阳光谱加权的蚁群算法的优化结果,入射效率分别可以提高0.26%、1.37%和4.24%,进一步推动了器件的实用化。
【关键词】：硅基PIN光电探测器 量子效率 载流子收集 增透膜 蚁群算法
【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN36
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-23
• 1.1 引言10-11
• 1.2 硅基光电探测器概述11-19
• 1.2.1 硅基光电探测器的基本类型及结构11-15
• 1.2.2 硅基PIN光电探测器的发展历程及应用领域15-19
• 1.3 高量子效率的硅基PIN光电探测器的研究现状19-20
• 1.4 本论文的主要工作及创新点20-23
• 第2章 硅基PIN光电探测器基本理论23-45
• 2.1 硅基PIN光电探测器的理论基础23-37
• 2.1.1 入射光的透射与反射24-27
• 2.1.2 硅的光吸收27-31
• 2.1.3 光生载流子的输运31-37
• 2.2 硅基PIN光电探测器的主要性能参数37-44
• 2.2.1 量子效率与光谱响应37-42
• 2.2.2 暗电流42-43
• 2.2.3 电容43-44
• 2.3 本章小结44-45
• 第3章 硅基PIN光电探测器的制备与测试45-74
• 3.1 载流子收集增强探测器45-52
• 3.1.1 载流子收集增强电场结构的提出45-48
• 3.1.2 器件制备与性能分析48-52
• 3.2 光生载流子的界面复合损耗研究52-60
• 3.3 暗电流研究60-67
• 3.4 高性能硅基PIN光电探测器件测试结果67-72
• 3.4.1 高性能硅基PIN光电探测器件的I-V、C-V和量子效率67-70
• 3.4.2 叉指重掺杂结构的硅基PIN光电探测器的示范验证70-72
• 3.5 本章小结72-74
• 第4章 硅基PIN光电探测器关键工艺的优化和性能分析74-88
• 4.1 激光退火在硅基PIN光电探测器中的应用74-80
• 4.1.1 激光退火与背面载流子的激活74-75
• 4.1.2 激光退火增强硅基PIN光电探测器的量子效率75-80
• 4.2 离子注入退火温度优化硅基PIN光电探测器的量子效率80-83
• 4.3 离子注入优化硅基PIN光电探测器的暗电流83-86
• 4.4 本章小结86-88
• 第5章 增透膜优化的硅基PIN光电探测器88-120
• 5.1 蚁群算法与增透膜设计88-99
• 5.1.1 蚁群算法基本理论88-93
• 5.1.2 增透膜设计中的蚁群优化算法理论93-99
• 5.2 垂直入射宽光谱多层增透膜的优化设计99-101
• 5.3 全角度宽光谱多层增透膜结构的优化设计101-118
• 5.3.1 蚁群算法的优化结果101-106
• 5.3.2 太阳光谱加权的蚁群算法的优化结果106-118
• 5.4 本章小结118-120
• 结论120-122
• 参考文献122-132
• 攻读博士期间所发表的学术论文132-134
• 致谢134

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 王巍;武逶;白晨旭;冯其;冯世娟;王振;曹阳;;硅PIN光电探测器阵列的串扰分析[J];半导体光电;2013年01期

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本文编号：986806