碲鎘汞（HgCdTe）線性雪崩焦平面因其相對低的過剩噪聲、較小的工作電壓、線性可調(diào)等優(yōu)點(diǎn),得到了廣泛關(guān)注�；陔娮友┍乐胁℉gCdTe PIN二極管結(jié)構(gòu),開展暗電流模型和Okuto-Crowell增益模型仿真。通過改變器件材料結(jié)構(gòu)參數(shù)模擬不同電壓下的暗電流和增益特性。計(jì)算討論了不同I區(qū)（本征區(qū)）厚度和載流子濃度對器件暗電流和增益的影響。結(jié)果表明結(jié)區(qū)峰值場強(qiáng)的變化會導(dǎo)致直接隧穿（BBT）電流產(chǎn)生率數(shù)量級上的劇烈變化;增加I區(qū)厚度和降低I區(qū)摻雜濃度可有效抑制BBT電流;增益隨場強(qiáng)的變化趨勢與BBT電流隨場強(qiáng)的變化趨勢一致;因此抑制BBT電流的措施會造成增益性能的下降,需要優(yōu)化參數(shù)以獲得最佳性能。綜合考慮暗電流和增益性能,I區(qū)的厚度應(yīng)不小于3μm,I區(qū)濃度需控制在5×10¹⁴cm^-3以下。單元中波APD的增益實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真數(shù)據(jù)較好地吻合,表明了理論模型的正確性。 

【文章來源】：紅外與毫米波學(xué)報(bào). 2020,39(01)北大核心

【文章頁數(shù)】：7 頁

【部分圖文】：

增益歸一化暗電流（GNDC）與I區(qū)濃度Ni(a）和I區(qū)厚度Di(b）的關(guān)系

上述的材料參數(shù)由實(shí)際測試得出，APD器件N-區(qū)的濃度與厚度通過電容-電壓（CV）法測試得到。這兩組器件的注入條件相同，編號lpex0406c器件的本底P濃度比lpev0997b器件的高，這導(dǎo)致需要更多的Hg填隙原子才能將材料中的Hg空位復(fù)合掉。因此，相較于lpev0997b器件，lpex0406c器件經(jīng)過注入形成的N-區(qū)寬度更小。上文的分析表明，較小的N-區(qū)寬度對應(yīng)更大的BBT電流。如圖8為編號lpev0997b和lpex0406c器件的暗電流和增益實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)對比（注意：這里的暗電流水平用暗電流對光敏元面積的暗電流密度來表示），仿真與實(shí)驗(yàn)均在溫度80K下進(jìn)行�？梢钥吹�，器件lpev0997b的暗電流整體較器件lpex0406c的低，大反偏下（>3V),lpex0406c器件暗電流開始快速上升，此時(shí)對應(yīng)的的是BBT電流占主導(dǎo)，這與上文的分析相符；器件lpex0406c在5.2V之后，器件開始擊穿，實(shí)驗(yàn)測得暗電流開始明顯的大于仿真電流。由于lpex0406c器件的暗電流較大，大反偏下（>3V）無法有效的分辨光電流和暗電流，3V之后的增益曲線不正常；但是可以看到，3V之前的增益曲線與仿真數(shù)據(jù)符合的很好。在3V之前，lpev0997b和lpex0406c器件的增益曲線幾乎重合，這與圖6(a）相一致（在Ni為～1015cm-3及以上的量級，小偏壓增益幾乎相同）。綜上所述，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，仿真結(jié)果能與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較好的吻合。

PIN結(jié)構(gòu)是常規(guī)PN結(jié)中間加入一層低濃度的本征層（intrinsic region）。I層中的載流子濃度很低，在反偏工作狀態(tài)中會完全耗盡，因此APD器件的PN結(jié)寬度比常規(guī)器件大得多，有效地降低了耗盡區(qū)的局域電場，從而有效抑制暗電流；較大PN結(jié)寬度的器件具有較小的結(jié)電容，減小了RC常數(shù)，可以減小器件的響應(yīng)時(shí)間。在大反偏下，I層集中大部分電壓，成為載流子發(fā)生碰撞電離的主要區(qū)域（即雪崩區(qū)），通過改變I層寬度和摻雜濃度等參數(shù)便可以調(diào)節(jié)APD器件的雪崩增益特性以及暗電流特性。在較高的反向偏壓下，帶間直接隧穿電流開始占據(jù)暗電流的主導(dǎo)地位，成為制約器件性能的瓶頸。本文針對Cd組分為0.3的中波碲鎘汞PIN平面結(jié)APD器件，構(gòu)建了暗電流模型，主要包含擴(kuò)散電流、產(chǎn)生復(fù)合電流、隧穿電流，并采用Okuto-Crowel離化系數(shù)模型，深入研究了暗電流成分、器件增益與I區(qū)厚度、I區(qū)載流子濃度之間的關(guān)系，設(shè)計(jì)出了性能優(yōu)良的APD器件結(jié)構(gòu)，并得到了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。1 理論模型


本文編號：2982808