本文關鍵詞： 黑硅 Si-APD光電探測器 仿真 響應度 近紅外　出處：《電子科技大學》2015年碩士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：硅是地球上儲量最為豐富的半導體材料,且易于提純、成本較低,在半導體器件中得到了廣泛的應用,相關的技術已經(jīng)非常成熟。然而,單晶硅材料的禁帶寬度較大(1.1e V),無法有效吸收波長較長的光波。因而,需要研制具有較高響應度和寬光譜響應范圍的新型硅光電探測器。黑硅材料具有特殊的表面形貌結(jié)構(gòu),對可見光有極高的光學吸收,且具有良好的寬光譜吸收特性,可用于光電探測器、太陽能電池及其它光電器件。本文闡述了硅基APD光電探測器的工作原理,介紹了器件的特性參數(shù),對黑硅具有高的光吸收率和寬光譜吸收范圍的原因,進行了理論分析。在理論研究與結(jié)構(gòu)設計的基礎上,首先對傳統(tǒng)硅APD光電探測器進行了仿真研究,觀察了器件的電場分布,并對I-V特性、光譜特性、響應時間和雪崩倍增因子等功能特性,進行了仿真分析。在傳統(tǒng)硅APD光電探測器仿真研究的基礎上,在N+層上制備黑硅層,進行了基于黑硅材料的APD光電探測器的仿真研究,器件結(jié)構(gòu)為N+PπP+。結(jié)果表明:1)以N+層為光敏區(qū)的器件比以P+層為光敏面的器件具有更高的響應度,黑硅探測器對于可見光和近紅外光都具有高的響應度;2)以N+層作為光敏區(qū)的器件主要性能參數(shù)為:雪崩電壓-116V左右;雪崩倍增因子M=21.8時,器件響應度R為9A/W左右(@1.1μm);器件暗電流大小為10p A量級,響應時間為10ns量級,暗電流和響應時間與傳統(tǒng)硅APD光電探測器相比量級保持不變;3)器件的響應度隨尖錐結(jié)構(gòu)縱橫比的增大而增大,N+黑硅層摻雜濃度越高,其光響應度越高;4)雪崩擊穿電壓隨著P區(qū)和π區(qū)摻雜濃度的增加而減小,隨著π區(qū)厚度增大而增大;P區(qū)和π區(qū)摻雜濃度越高,雪崩倍增因子更容易提高,增加P區(qū)和π區(qū)厚度可以提高器件對紅外波段的響應度。研究表明,基于黑硅材料的APD光電探測器,能在保持暗電流與響應時間無大范圍變化的情況下,明顯提高量子效率和響應度,且能夠?qū)⑻綔y器的光譜響應范圍延展至近紅外波段。
[Abstract]:Silicon is the most abundant semiconductor material on the earth, and easy to purify, low cost, has been widely used in semiconductor devices, related technology has been very mature. The monocrystalline silicon material has a wide bandgap of 1.1e V ~ (-1), which can not effectively absorb the light wave with longer wavelength. It is necessary to develop new silicon photodetectors with high responsivity and wide spectral response range. Black silicon materials have special surface morphology and high optical absorption to visible light. It can be used in photodetectors, solar cells and other optoelectronic devices. In this paper, the principle of silicon-based APD photodetectors is described, and the characteristic parameters of the devices are introduced. The reason why black silicon has high absorption rate and wide spectral absorption range is analyzed theoretically. On the basis of theoretical research and structural design, the traditional silicon APD photodetectors are studied by simulation. The electric field distribution of the device is observed, and the characteristics of I-V, spectrum, response time and avalanche multiplication factor are simulated and analyzed. The black silicon layer was prepared on the N layer, and the simulation of the APD photodetector based on the black silicon material was carried out. The structure of the device is N P 蟺 P. the result shows that the device with N layer as Guang Min region has a higher responsivity than that with P layer as Guang Min surface. Black silicon detectors have high responsivity to both visible and near-infrared light. 2) taking N layer as the main performance parameter of Guang Min: avalanche voltage is about -116V; When the avalanche multiplication factor M = 21.8, the responsivity R is about 9A / W and 1.1 渭 m. The dark current of the device is 10 Pa and the response time is 10 ns. Compared with the conventional silicon APD photodetector, the dark current and response time remain the same. 3) the higher the doping concentration of N black silicon layer, the higher the optical response of the device with the increase of the aspect ratio of the spinel structure. 4) the avalanche breakdown voltage decreases with the increase of doping concentration in P region and 蟺 region, and increases with the increase of 蟺 region thickness. The higher the doping concentration of P region and 蟺 region, the easier to increase the avalanche multiplication factor. Increasing the thickness of P region and 蟺 region can improve the responsivity of the device to infrared band. The research shows that the APD photodetector based on black silicon material. The quantum efficiency and responsivity of the detector can be improved obviously without large range change of dark current and response time, and the spectral response range of the detector can be extended to near infrared band.
【學位授予單位】：電子科技大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TN304.12;TN36

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