一种新型的4H-SiC雪崩光电二极管的光电特性模拟

摘要

紫外波段的光电探测器广泛应用于火箭发射、导弹跟踪、火焰探测、紫外通信以及紫外辐射测量等领域，具有很高的应用价值。采用4H-SiC半导体材料制备的紫外光电探测器具有低漏电流、高的量子效率、紫外可见抑制比高、抗辐射和耐高温等优点，是目前最具应用前景的紫外光电探测器。国内外多个课题组都对4H-SiC基紫外光电探测器进行了研究，成功制备出了多种结构的性能优越的4H-SiC紫外光电探测器，并在继续探索新结构的性能更优越的光电探测器。
　　本文基于传统的PIN结构和吸收-倍增-分离(SAM)结构的4H-SiC紫外光电二极管，设计了一种倍增区域较小而吸收区域较大的4H-SiC紫外雪崩光电二极管，可以有效的实现倍增层和吸收层分离的目的，本文称之为APIN。应用SilvacoATLAS半导体器件模拟软件模拟出了其光电特性，并对模拟结果进行了分析。
　　模拟结果表明APIN光电二极管的暗电流和击穿电压与倍增层宽度D有密切的关系，器件的暗电流随D的增大而增大，而击穿电压则随D的增大而减小，D大于6μm时击穿电压不再减小。通过分析器件内部的电场分布，发现引起击穿电压随D的增大而减小的原因是P+N-结的电场对倍增层底部的电场有着不同程度的影响，在倍增层底部形成不同高度的空穴势阱，从而造成的器件的击穿电压不同。分析发现倍增层宽度D为4μm的APIN光电二极管有较好的性能，并对其光电特性作了详细的分析，发现有以下特点:1、相比于相同外延层结构和掺杂浓度的块状SAM APD，具有更低的暗电流，反向偏压100V时为7.1×10-13A/μm，比块状SAM APD小一个数量级;2、具有较低雪崩击穿电压(125V)，接近于SAM APD的击穿电压(116V);3、在124.95V时其雪崩倍增因子达到1.3×104;4、具有较高的量子效率，在单位倍增状态下，270nm处的峰值外量子效率约为63％，并且有较高的光谱响应(峰值响应度约为0.14A/W)与紫外可见抑制比(＞1000)。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 紫外光电探测器综述

1．2 4H-SiC紫外光电探测器的研究现状

1．3 Silvaco ATLAS半导体器件模拟软件的介绍

1．3．1 ATLAS模拟软件中的全面的物理模型

1．3．2 ATLAS模拟软件中的先进的数值方法

1．3．3 ATLAS模拟软件的输入与输出

1．4 本文的主要工作

第二章 4H-SiC材料性质

2．1 4H-SiC的晶体结构和材料生长

2．2 SiC材料的掺杂

2．3 4H-SiC材料的电学性质

2．3．1 4H-SiC的能带结构

2．3．2 本征载流子浓度

2．3．3 载流子迁移率

2．3．4 碰撞离化系数与临界击穿电场

2．3 4H-SiC材料的光学性质

第三章 4H-SiC光电探测器的工作原理及参数特性

3．1 4H-SiC光电探测器的基本结构及工作原理

3．1．1 金属-半导体-金属(MSM)光电探测器

3．1．2 PN结光电探测器

3．1．3 PIN光电探测器

3．1．4 雪崩光电探测器(APD)

3．2 紫外光电探测器的主要参数特性

3．2．1 暗电流

3．2．2 光谱响应特性

3．2．3 量子效率及响应度

3．2．4 紫外可见抑制比

3．2．5 噪声等效功率和探测灵敏度

3．2．6 响应速度和频率特性

3．2．7 APD的雪崩倍增因子

3．2．8 APD的雪崩倍增噪声

第四章 4H-SiC APIN光电二极管的结构设计和模拟程序

4．1 SAM结构的雪崩光电二极管

4．2 4H-SiC APIN光电二极管的结构设计

4．3 4H-SiC APIN光电二极管的模拟程序

4．3．1 APIN光电二极管结构的构建

4．3．2 APIN光电二极管材料参数的设定

4．3．3 APIN光电二极管物理模型的设定和计算方法的选择

4．3．4 APIN光电二极管的模拟过程和结果的输出

第五章 4H-SiC APIN光电二极管的模拟结果与分析

5．1 反向电流-电压特性与倍增层宽度D的关系

5．2 光谱响应与倍增层宽度D的关系

5．3 倍增层宽度为4μm的APIN光电二极管的光电特性

5．3．1 反向电流-电压特性

5．3．2 正向电流-电压特性

5．3．3 光谱响应特性和量子效率

5．3．4 APIN与PIN及SAM APD的光谱响应比较

5．4 本章小结

第六章 总结

参考文献

致谢

硕士期间发表的学术论文