超薄层雪崩光电二极管器件的蒙特卡罗模拟

摘要

本论文主要利用蒙特卡罗的计算方法，对磷化铟基(InP)和氮化镓基(GaN)雪崩光电二极管结构(APD)进行模拟研究，主要的内容包括： 1.利用蒙特卡罗算法搭建半导体器件计算机模拟平台。蒙特卡罗计算机模拟方法是半导体器件设计和性能研究的有效方法，本文通过对蒙特卡罗各个随机模块的细分，利用C语言在Linux平台下搭建了一套模拟程序。目前它可以对硅(Si)、砷化镓(GaAs)、磷化铟(ImP)、氮化镓(GaN)等体材料进行基本性能上的研究，如速度分布、电子，空穴能量分布等，并在此基础上可以实现对一些简单的器件结构，如光电二极管(PIN)、雪崩二极管(APD)等结构性能的研究，如带宽、噪声、增益等性能。 2.利用蒙特卡罗计算机模拟平台对InP材料及InP基的APD结构的特性进行深入的研究。InP基的．APD是目前光通信系统中探测器部分的首选，本文主要针对超薄层的InP基．APD结构进行一系列的研究，特别研究了其在高电场下碰撞电离，噪声特性，带宽特性等重要的性能指标。通过模拟研究我们发现，在高电场，薄倍增层的情况下，电子和空穴的碰撞电离系数(α,β)不再是传统理论中只随电场分布的物理量，同时它也跟倍增层的厚度有密不可分的联系。在此基础上，我们探讨了作为衡量噪声特性的空穴与电子碰撞电离系数的比值k=β/α，发现k值在薄层条件下也会随着厚度的变化而变化，并最终提出了通过修订k值来修正传统噪声理论的设想。 3.利用蒙特卡罗计算机模拟平台对GaN材料的特性进行深入的研究。GaN基的APD器件在火焰探测器等方面有着重要的应用前景，本文对GaN的体材料结构进行一系列理论上的模拟分析，并通过碰撞电离机制的引入，成功的模拟出GaN材料在高电场下的特性，同时我们发现GaN材料空穴与电子碰撞电离系数的比值k在高电场的条件下会出现突变的特性，该特性可能对GaN材料在噪声研究和器件结构设计有大的积极作用。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章引言

§1.1 InP材料以及InP基APD器件的模拟

§1.2 GaN材料以及GaN基APD器件的模拟

§1.3本论文的主要工作和创新点

参考文献

第二章蒙特卡罗模拟平台的搭建

§2.1蒙特卡罗模拟概述

§2.2 APD器件的基本工作原理

§2.3解析能带结构的蒙特卡罗模型

§2.4蒙特卡罗模拟的基本流程

§2.5蒙特卡罗程序中各参数的计算

§2.6蒙特卡罗程序中各材料参数

参考文献

第三章InP材料的蒙特卡罗模拟

§3.1稳态特性

§3.2碰撞电离特性

参考文献

第四章GaN材料的蒙特卡罗模拟

§4.1稳态特性

§4.2碰撞电离特性

参考文献

总结与展望

硕士期间科研成果

致谢