InGaAs探測器的光電性能仿真與結構優化研究

2023年12月13日發(作者：租賃合同協議書)

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InGaAs探測器的光電性能仿真與結構優化研究

短波紅外In GaAs探測器在近室溫下具有良好的性能,在航天遙感領域有著重要的應用價值。為進一步提升短波紅外InGaAs探測器的性能,本論文重點研究了InAlAs帽層的晶格匹配和延伸波長探測器的關鍵結構參數對暗電流的影響,并進行了實驗驗證,研究了器件暗電流機制;仿真了吸收層內含有電子阻擋層器件的暗電流特性,與無電子阻擋層結構器件特性進行對比分析,并對電子阻擋層的位置和周期進行了仿真優化,獲得了抑制暗電流的優化結構參數。

概述了建立仿真建模的過程,包括模塊的選擇、結構定義、物理模型設定、數值方法選擇、器件特性獲取以及結果分析等。另外,還有實時輸出窗口可以用來直接查看結果并調試模型的參數等,概述了Atlas軟件仿真的基本流程。

采用Atlas器件仿真軟件,研究了與InP襯底晶格匹配的InAlAs帽層器件的暗電流機制,分析了吸收層厚度和摻雜濃度對器件暗電流的影響。研究發現,吸收層厚度在0.25μm以內時,暗電流會隨著厚度增大而減小,進一步增大厚度時,暗電流的變化較小;吸收層濃度增大,暗電流會減小,但是濃度增大到一定程度將會影響到光的吸收效率。

通過實驗驗證,分析器件的暗電流機制,發現室溫下器件的暗電流主要由擴散電流主導。采用標準替代的方法,研究了光柵光譜儀和傅里葉光譜儀校準器件的響應光譜,結果表明,利用已知的標準器件及其標準光譜,兩者都可以用來校準待測器件的響應光譜。

傅里葉光譜儀由于具有便攜操作性,信號較強,穩定性高等優點,一般得到的結果相對優于光柵光譜儀。采用Atlas器件仿真軟件研究了InAlAs帽層延伸波長器件的暗電流機制,分析了吸收層厚度和摻雜濃度對器件暗電流的影響,同時研制了基于界面數字超晶格結構的In GaAs探測器,并測試了器件的暗電流和響應光譜。

器件響應光譜與仿真擬合結果基本一致。在暗電流特性方面,在-0.01V下,300K和200K時的暗電流大小為6.47×10-9A和1.05×10-12A。

并分析了暗電流溫度特性,獲得了激活能,220K-300K擬合的激活能為Ea=0.38eV,表明近室溫下暗電流電流以擴散和產生復合為主,理論仿真結果一致。在吸收層內插入電子阻擋層是抑制器件暗電流的一種方法,它改變了載流子的傳輸,且能夠減小晶格失配帶來的應力并降低缺陷密度。

本論文研制了含電子阻擋層的器件D2,測試其在室溫和低溫下的暗電流,并與無電子阻擋層器件D1的電流特性進行了對比。結果表明,D2器件暗電流小于D1器件,在偏壓-0.01V,室溫下D1和D2測試的的暗電流的特征值是8.27×10-4A/cm2和3.25×10-4A/cm2,與仿真結果基本一致;溫度降低時,D1和D2器件暗電流均下降,且下降幅度基本一致;這是因為電子阻擋層在導帶中形成勢壘,阻礙電子傳輸,而在價帶中幾乎沒有勢壘的影響,所以其作用是延長了少子的壽命,抑制了復合電流。

基于以上研究,本論文采用仿真方法對器件的結構進行了優化,分析了超晶格電子阻擋層的位置和周期變化時對暗電流的影響,發現電子勢壘位置接近吸收層中間且周期厚度為15nm時,可以獲得較小的暗電流。

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