III–V族半导体雪崩光电二极管特性研究

摘要

雪崩光电二极管（Avalanche photodiode,APD）因为内部增益高、功耗低、体积小、工作频谱范围大等优势成为光纤通信系统中接收端的核心器件。为了探测不同波段的光信号，适应不同工作环境，科研人员已经研究了多种材料的APD，因此基于不同材料的APD都得到了长足的发展。III-V族半导体InP、InA lAs由于其带隙较宽，常与带隙窄的半导体In0.53Ga0.47As，形成异质结APD。这种结构的APD具有增益高、噪声小等优点，很快成为当前研究的热点。以GaN为代表的Ⅲ族氮化物，作为宽禁带半导体，具有高的热稳定性和化学稳定性，常用来制作紫外光探测器件和大功率器件。本文主要针对III-V族半导体红外和紫外AP D的工作特性展开研究。 针对有自反馈机制的单光子雪崩光电二极管（Single photon avalanche diodes，SPAD），本文模拟了SPAD工作中能带与电场随时间的变化过程，在理论上详细阐述了它的工作原理。此外，本文通过计算SPAD在不同偏压下输出电流随时间的变化关系，研究了它的响应时间与外加偏压的关系，发现外加电压对SPAD的响应速度有重要影响。 为了改善 APD的过剩噪声特性，本文提出一种具有多倍增层结构的APD，该结构通过调节器件的电场分布，进而影响载流子的碰撞离化几率，以达到减小过剩噪声的目的。本文通过计算载流子发生碰撞离化的空间分布，研究了雪崩效应的内部过程，可以帮助优化器件设计。此外，在传统的增益-过剩噪声模型的基础之上，本文还研究了倍增区的产生复合过程和表面泄露电流对过剩噪声因子的影响。 本文利用数值仿真的方法模拟了GaN基APD的光电特性以及研究了它的辐照特性。利用SRIM软件模拟了不同能量的质子辐照GaN基APD的过程，得出辐照产生的Ga原子和N原子空位密度，以及非离化能量损失（NIEL）与粒子穿透深度的关系。根据SRIM软件仿真的结果，计算了质子辐照对GaN基AP D暗电流退化的影响。

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