SOI基栅控横向PIN蓝紫光探测器的理论建模与工艺研究

摘要

根据瑞利散射，大气对光波的散射强度与波长的四次方成反比，对于可见光中的长波光与近红外光而言，其偏振性较差。蓝紫光波段(380～520nm)的波长较短，偏振性较强，更适合光电探测器检测。目前，蓝紫光探测器通常为单独场效应型或单独双极型二极管，其各自的优缺点，量子效率与频率特性二者相互制约，不利于集成。 本文基于SOI基透明电极栅控横向PIN光电二极管(SOI LPIN PD-GTE)进行了以下主要几个方面的研究。 1.基于泊松方程，建立了器件栅极电压的解析模型，通过MATLAB对解析模型进行了数值计算，并与仿真结果相对比，验证模型的有效性。得出沟道表面弱反型的栅极电压为0.2145V，沟道表面强反型的栅压为0.5105V。 2.基于电流密度方程和电流连续性方程，构建了器件的暗电流解析模型以及在入射光功率为1mW/cm2时光电流的解析模型，利用MATLAB对光电流与暗电流的解析模型进行数值计算，通过仿真结果与计算结果的对比，光电流与暗电流数值计算与模拟仿真结果变化趋势一致，拟合度较好，验证了解析模型的有效性。并对光暗电流比进行研究，得出信噪比(SNR)最优化时的栅压值为1.7V。 3.利用SILVACO软件的ATHENA模块对器件进行工艺实现，对比了工艺仿真所得器件的I-V特性与ATLAS模块软件建模所得器件的I-V特性，两者结果拟合度较高，验证了工艺实现的正确性。 4.建立了受温度影响的栅极电压解析模型，利用MATLAB进行数值计算，验证解析模型的正确性。采用ATLAS模块对不同温度下器件的I-V特性进行模拟仿真与分析。结果表明，同一温度下，SNR随栅极电压的增大先减小后不变然后增大，直到达到最大值，而后迅速减小。在T=-25℃，VGK=1.44V时，信噪比达到最大值6.11×105，在T=75℃，VGK=2V时下降为最小值1.0643×103。

目录

声明

摘要

第一章绪论

1．1课题研究背景

1．2国内外研究现状

1．3课题研究意义

1．4论文主要内容与结构

第二章基本原理分析

2．1光电效应

2．2光电探测器的原理

2．1．1 PIN型光电二极管

2．3 LPIN PD-GTE工作原理

2．4光电二极管性能参数

2．4．1量子效率和响应度

2．4．2暗电流与噪声

2．4．3结电容与响应速度

2．4．4频率特性与温度特性

2．5 SILVACO软件

2．6本章小结

第三章模型构建与验证

3．1栅极电压模型构建

3．2暗电流模型构建

3．3光电流模型构建

3．4数值计算与结果分析

3．4．1栅极电压

3．4．2暗电流

3．4．3光电流

3．4．4信噪比

3．5本章小结

第四章工艺实现与特性研究

4．1工艺仿真

4．2特性研究

4．3本章小结

第五章温度特性研究

5．1温度特性模型构建

5．2温度特性研究

5．2．1栅极电压模型验证

5．2．2温度特性研究

5．3本章小结

第六章总结与展望

参考文献

致谢

附录