本文關(guān)鍵詞：InGaAs探測器的光電性能仿真與結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

  更多相關(guān)文章： 短波紅外 In GaAs 暗電流 TCAD軟件 結(jié)構(gòu)優(yōu)化 電子阻擋層

【摘要】：短波紅外In GaAs探測器在近室溫下具有良好的性能,在航天遙感領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用價值。為進一步提升短波紅外InGaAs探測器的性能,本論文重點研究了InAlAs帽層的晶格匹配和延伸波長探測器的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)對暗電流的影響,并進行了實驗驗證,研究了器件暗電流機制;仿真了吸收層內(nèi)含有電子阻擋層器件的暗電流特性,與無電子阻擋層結(jié)構(gòu)器件特性進行對比分析,并對電子阻擋層的位置和周期進行了仿真優(yōu)化,獲得了抑制暗電流的優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)。概述了建立仿真建模的過程,包括模塊的選擇、結(jié)構(gòu)定義、物理模型設(shè)定、數(shù)值方法選擇、器件特性獲取以及結(jié)果分析等。另外,還有實時輸出窗口可以用來直接查看結(jié)果并調(diào)試模型的參數(shù)等,概述了Atlas軟件仿真的基本流程。采用Atlas器件仿真軟件,研究了與InP襯底晶格匹配的InAlAs帽層器件的暗電流機制,分析了吸收層厚度和摻雜濃度對器件暗電流的影響。研究發(fā)現(xiàn),吸收層厚度在0.25μm以內(nèi)時,暗電流會隨著厚度增大而減小,進一步增大厚度時,暗電流的變化較小;吸收層濃度增大,暗電流會減小,但是濃度增大到一定程度將會影響到光的吸收效率。通過實驗驗證,分析器件的暗電流機制,發(fā)現(xiàn)室溫下器件的暗電流主要由擴散電流主導(dǎo)。采用標準替代的方法,研究了光柵光譜儀和傅里葉光譜儀校準器件的響應(yīng)光譜,結(jié)果表明,利用已知的標準器件及其標準光譜,兩者都可以用來校準待測器件的響應(yīng)光譜。傅里葉光譜儀由于具有便攜操作性,信號較強,穩(wěn)定性高等優(yōu)點,一般得到的結(jié)果相對優(yōu)于光柵光譜儀。采用Atlas器件仿真軟件研究了InAlAs帽層延伸波長器件的暗電流機制,分析了吸收層厚度和摻雜濃度對器件暗電流的影響,同時研制了基于界面數(shù)字超晶格結(jié)構(gòu)的In GaAs探測器,并測試了器件的暗電流和響應(yīng)光譜。器件響應(yīng)光譜與仿真擬合結(jié)果基本一致。在暗電流特性方面,在-0.01V下,300K和200K時的暗電流大小為6.47×10-9A和1.05×10-12A。并分析了暗電流溫度特性,獲得了激活能,220K-300K擬合的激活能為Ea=0.38eV,表明近室溫下暗電流電流以擴散和產(chǎn)生復(fù)合為主,理論仿真結(jié)果一致。在吸收層內(nèi)插入電子阻擋層是抑制器件暗電流的一種方法,它改變了載流子的傳輸,且能夠減小晶格失配帶來的應(yīng)力并降低缺陷密度。本論文研制了含電子阻擋層的器件D2,測試其在室溫和低溫下的暗電流,并與無電子阻擋層器件D1的電流特性進行了對比。結(jié)果表明,D2器件暗電流小于D1器件,在偏壓-0.01V,室溫下D1和D2測試的的暗電流的特征值是8.27×10-4A/cm2和3.25×10-4A/cm2,與仿真結(jié)果基本一致;溫度降低時,D1和D2器件暗電流均下降,且下降幅度基本一致;這是因為電子阻擋層在導(dǎo)帶中形成勢壘,阻礙電子傳輸,而在價帶中幾乎沒有勢壘的影響,所以其作用是延長了少子的壽命,抑制了復(fù)合電流。基于以上研究,本論文采用仿真方法對器件的結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化,分析了超晶格電子阻擋層的位置和周期變化時對暗電流的影響,發(fā)現(xiàn)電子勢壘位置接近吸收層中間且周期厚度為15nm時,可以獲得較小的暗電流。
【關(guān)鍵詞】：短波紅外 In GaAs 暗電流 TCAD軟件 結(jié)構(gòu)優(yōu)化 電子阻擋層
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院研究生院(上海技術(shù)物理研究所)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TN215
【目錄】：

• 致謝4-5
• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 1 引言12-26
• 1.1 短波紅外探測器的研究背景和意義13-19
• 1.1.1 In Ga As紅外探測器工作原理13-16
• 1.1.2 In Ga As探測器研究進展16-19
• 1.2 TCAD軟件在半導(dǎo)體器件仿真中的應(yīng)用19-22
• 1.2.1 常見TCAD軟件技術(shù)19
• 1.2.2 Silvaco Atlas軟件介紹及應(yīng)用19-22
• 1.2.2.1 Silvaco軟件發(fā)展19-20
• 1.2.2.2 Silvaco功能介紹20-21
• 1.2.2.3 Silvaco Atlas仿真工具及其流程21-22
• 1.2.2.4 Silvaco軟件仿真應(yīng)用22
• 1.3 In Ga As紅外探測器仿真研究進展22-24
• 1.4 本論文的研究目的和主要內(nèi)容24-26
• 2 In Ga As探測器仿真建模26-32
• 2.1 引言26
• 2.2 In Ga As探測器結(jié)構(gòu)的定義26-28
• 2.2.1 網(wǎng)格定義26-27
• 2.2.2 定義區(qū)域和材料27
• 2.2.3 定義電極27
• 2.2.4 描述摻雜27-28
• 2.3 In Ga As探測器模型的選擇28
• 2.4 數(shù)值方法的選擇28-29
• 2.5 器件特性的獲取與分析29
• 2.6 本章小結(jié)29-32
• 3 晶格匹配器件光電特性模擬與實驗32-44
• 3.1 引言32
• 3.2 晶格匹配器件暗電流特性仿真32-36
• 3.2.1 器件結(jié)構(gòu)與仿真模型32-35
• 3.2.2 電流-電壓特性仿真35-36
• 3.3 單元器件光電性能分析36-39
• 3.3.1 器件研制36-37
• 3.3.2 性能測試與分析37-39
• 3.4 單元器件暗電流特性擬合39-41
• 3.4.1 理想因子擬合39-40
• 3.4.2 暗電流成分的擬合40-41
• 3.5 本章小結(jié)41-44
• 4 延伸波長器件性能仿真與優(yōu)化44-66
• 4.1 引言44
• 4.2 暗電流理論44-47
• 4.2.1 臺面型暗電流模型44-45
• 4.2.2 暗電流成分分析45-47
• 4.3 響應(yīng)光譜校準47-51
• 4.3.1 替代法原理47-48
• 4.3.2 延伸波長器件的光譜校準48-51
• 4.4 暗電流特性仿真51-55
• 4.4.1 界面數(shù)字超晶格的結(jié)構(gòu)和能帶圖51-53
• 4.4.2 吸收層濃度變化的暗電流特性53-54
• 4.4.3 吸收層厚度變化的暗電流特性54-55
• 4.5 延伸波長器件性能分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化55-64
• 4.5.1 界面數(shù)字超晶格器件研制與分析55-60
• 4.5.1.1 臺面型器件的研制55-56
• 4.5.1.2 電學(xué)特性測試56-57
• 4.5.1.3 光譜擬合分析57
• 4.5.1.4 暗電流擬合分析57-60
• 4.5.2 電子阻擋層結(jié)構(gòu)器件研制與分析60-64
• 4.5.2.1 電子阻擋層的器件研制60
• 4.5.2.2 電子阻擋層的器件的特性60-62
• 4.5.2.3 電子阻擋層位置的優(yōu)化62-63
• 4.5.2.4 電子阻擋層周期的優(yōu)化63-64
• 4.6 本章小結(jié)64-66
• 5 總結(jié)與展望66-68
• 5.1 總結(jié)66-67
• 5.2 展望67-68
• 參考文獻68-74
• 作者簡介及在學(xué)期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文與研究成果74

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前3條

1 朱耀明;李永富;李雪;唐恒敬;邵秀梅;陳郁;鄧洪海;魏鵬;張永剛;龔海梅;;基于N-on-P結(jié)構(gòu)的背照射延伸波長640×1線列InGaAs探測器[J];紅外與毫米波學(xué)報;2012年01期

2 邵秀梅;李淘;鄧洪海;程吉鳳;陳郁;唐恒敬;李雪;;平面型24元InGaAs短波紅外探測器[J];紅外技術(shù);2011年09期

3 李永富;唐恒敬;李淘;朱耀明;汪洋;殷豪;李天信;繆國慶;李雪;龔海梅;;InP/In_xGa_(1-x)As異質(zhì)結(jié)構(gòu)中Zn元素的擴散機制[J];紅外與激光工程;2009年06期

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本文編號：1069669