Si基微元APD雪崩增益与结构参数优化的研究

摘要

雪崩光电二极管(APD)以其具有高内部增益的特性,在光电探测领域受到人们的青睐。APD发展至今,已拥有PIN、SAM、SACM和RCE等结构,器件的性能也在不断提高。与其他直接带隙材料相比,Si材料的带间隧道电流要低得多,这使Si基APD具有较低的噪声。自从1998年MIT提出阵列APD器件以来,提高阵列单元增益、降低雪崩电压等性能要求越来越成为研究的热点。随着工艺的进步,微纳量级APD的制造成为可能。高增益低工作电压APD的研究业已成为APD阵列集成的一个迫切要求。
　　本文主要对Si基吸收场控倍增分离结构的微元雪崩光电二极管(Si SACM-MAPD)雪崩增益与结构参数优化进行了研究,首先综合各碰撞电离理论,利用蒙特卡罗方法搭建了Si材料的碰撞电离模型,由此模拟得到了Si材料电离系数与电场强度的关系曲线。然后利用蒙特卡罗方法对Si SACM-MAPD雪崩增益进行研究,对器件结构场控层厚度进行了优化,通过在器件雪崩增益、载流子渡越时间和响应光谱上进行取舍,获得满足高增益低工作电压要求的器件结构参数。最后我们利用计算机辅助设计软件Silvaco TCAD对Si基微元APD进行了制造工艺和性能参数仿真,得到了目高增益Si基微元APD的制造工艺条件。利用所得目标器件结构,对其雪崩增益性能进行了模拟,得到其电性能曲线。与之前的模拟结果相比较,目标器件的击穿电压和增益系数略有下降。同时对制造过程中关键的二次离子注入对器件性能影响进行了模拟分析,得到了与之前蒙特卡罗模拟相一致的结果。

目录

Si 基微元APD 雪崩增益与结构参数优化的研究

THE STUDY OF AVALANCHE GAIN AND

摘要

Abstract

第1 章绪论

1.1 课题背景

1.2 雪崩光电二极管的发展

1.2.2 Si 基APD 的发展

1.2.1 APD 结构的发展

1.3 论文的主要研究内容

第2 章APD 增益的基本理论

2.1 电离阈值能量

2.2 电离系数理论模型

2.2.1 扩散模型

2.2.2 幸运电子模型

2.2.3 最大化各向异性模型

2.2.4 偶然漂移模型

2.3 硅电离系数的实验值

2.4 暗空间与非局域效应

2.5 雪崩倍增与雪崩击穿

2.5.1 雪崩增益系数

2.5.2 雪崩击穿

2.6 器件电场分布

2.7 本章小结

第3 章微元APD 雪崩增益与结构参数优化

3.1 电离系数的蒙特卡罗模拟

3.1.1 自由飞行时间

3.1.2 相关假设

3.1.3 模拟公式

3.1.4 电离系数的获取

3.2 击穿电压与结构参数优化

3.3 雪崩增益系数的蒙特卡罗模拟

3.4 器件的光吸收

3.5 本章小结

第4 章微元APD 制造参数对雪崩增益的影响

4.1 Silvaco TCAD 简介

4.2 器件结构

4.2.1 结构参数选择依据

4.2.2 器件结构获得

4.2.3 模拟结果

4.3 器件雪崩增益性能模拟

4.3.1 基本公式

4.3.2 目标器件的增益特性

4.3.3 二次离子注入对器件性能的影响

4.4 本章小结

结论

参考文献

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致谢