PINIP结构a-Si∶H多色光电探测器电路模型研究
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太阳能光电工程学院《PIN结构GaN光电探测器性能的研究》课程设计报告书题目:PIN结构GaN光电探测器性能的研究*名:***专业:光伏材料加工与应用技术班级:光伏材料加工与应用技术本科班准考证号: 014411304226设计成绩:指导教师:摘要半导体光电探铡器主要分成两类,光电导型和光伏型。
光电导型原理是由于光生载流子造成电导率的变化,光伏型原理是耗尽区的电场使光生载流子产生定向运动形成电流。
常见的光伏型探测器是pn结和pin型光电二极管,另一类型是肖特基型光电二极管,其耗尽区是肖特基原理形成。
与光伏型相比,光电导型探测器有两个主要优点:具有内增益和制作简单。
然而,光电导型探测器要求加偏置,暗电流大,而且速度慢。
肖特基型光探测器被认为是速度最快的探测器,但是它的势垒较低,漏电流比pin型大。
由于耗尽区窄,而且GaN材料中耗尽区外产生的载流子扩散长度短,肖特基型光探测器量子效率较低。
所以本文选择了pin型光探测器的研究,加入i层是为了扩展耗尽区的宽度,增加对光的吸收。
关键词:氮化镓探测器 PIN 饱和电流目录绪言 (3)第一章 GaN基pin型探测器 (4)1.1 pin型探测器工作原理 (4)1.2 量子效率及光谱晌应 (6)1.3 瞬态响应 (7)1.4 GaN基pin型探测器研究现状 (8)第二章 Ga基pin型紫外探测器的研制 (10)2.1 GaN基pin型探测器分析 (10)2.1.1 GaN材料p诅紫外探测器 (10)2.1.2 pin紫外探测器分析 (10)2.2 材料生长及器件制作 (12)2.2.1 材料生长 (12)2.2.2 版图设计 (12)2.2.3 器件制备 (14)3.1 暗电流 (15)3.2 光电流 (16)第四章 GaN基pin型紫外探测器高温电气性能 (17)4.1 不同温度下I—V性能测试及分析 (17)4.1.1 测试系统的建立 (17)4.1.2 测试结果处理及分析 (18)4.2 不同温度下C-V性能测试及分析 (18)4.2.1 测试系统的建立 (18)4.2.2 测试结果处理及分析 (19)结论 (20)参考文献 (21)绪言半导体紫外探测器体积小,性能稳定,使用方便。
第40卷第5期2019年9月应㊀用㊀光㊀学J o u r n a l o fA p p l i e dO p t i c s V o l .40N o .5S e p2019文章编号:1002G2082(2019)05G0723G08收稿日期:2019G05G31;㊀修回日期:2019G07G11基金项目:国家自然科学资助基金项目(51507140);陕西省重点研发计划(2017Z D XM GG Y G003);陕西省自然科学基金(2017J M 5100);西安市科技计划(2017080C G /R C 043)作者简介:张辉(1963-),男,博士,教授,博士生导师,主要从事微电网运行控制与新型电能储存及电动汽车驱动/充电的研究.E Gm a i l :z h a n gh @x a u t .e d u .c n 通信作者:柯程虎(1985-),男,博士研究生,主要从事泛在电力物联网与微电网网络控制方面的研究.E Gm a i l :56222987@q q.c o m P I N 光电探测器的建模与仿真分析张㊀辉,柯程虎,刘昭辉(西安理工大学自动化与信息工程学院,陕西西安710048)摘㊀要:为了优化P I N 光电探测器响应特性,首先依据载流子速率方程,并考虑芯片寄生参量和封装寄生参量,建立光电探测器的等效电路模型.然后仿真分析了反偏电压㊁I 区宽度㊁光敏面㊁芯片寄生电阻和电容㊁封装寄生电阻㊁电容和电感对光电探测器脉冲响应特性和频率响应特性的影响.结果表明:通过增大反偏电压,减小光敏面和寄生参量(芯片寄生电容和电阻,封装寄生电容和电阻),选取合适的I 区宽度,利用引线电感的谐振效应现象,可以抑制脉冲响应波形畸变,提高频率响应带宽.关键词:P I N 光电探测器;等效模型;速率方程;响应特性中图分类号:T N 364+.2㊀㊀㊀㊀文献标志码:A㊀㊀㊀㊀D O I :10.5768/J A O 201940.0501002M o d e l i n g a n d s i m u l a t i o na n a l ys i s o fP I N p h o t o d e t e c t o r Z H A N G H u i ,K EC h e n gh u ,L I UZ h a o h u i (S c h o o l o fA u t o m a t i o na n d I n f o r m a t i o nE n g i n e e r i n g ,X i a nU n i v e r s i t y o fT e c h n o l o g y,X i a n710048,C h i n a )A b s t r a c t :I no r d e rt oo p t i m i z et h er e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c so fP I N p h o t o d e t e c t o r st oi n c i d e n tl i gh t s i g n a l s ,a c c o r d i n g t o t h e c a r r i e r r a t e e q u a t i o na n d c o n s i d e r i n g t h e p a r a s i t i c p a r a m e t e r s o f t h e c h i p an d t h e p a r a s i t i c p a r a m e t e r s o f t h e p a c k a g e ,t h e e qu i v a l e n t c i r c u i tm o d e l o f t h e p h o t o d e t e c t o rw a s d e r i v e d .I na d d i t i o n ,t h ee f f e c t so fr e v e r s eb i a sv o l t a g e ,I Gz o n e w i d t h ,p h o t o s e n s i t i v es u r f a c e ,c h i p p a r a s i t i c r e s i s t a n c ea n dc a p a c i t a n c e ,p a c k a g e p a r a s i t i c r e s i s t a n c e ,c a pa c i t a n c ea n d i n d u c t a n c eo n t h e p u l s e r e s p o n s e c h a r a c t e r i s t i c s a n d f r e q u e n c y r e s po n s e c h a r a c t e r i s t i c so f p h o t o d e t e c t o r sw e r e s i m u l a t e d .T h e r e s u l t s s h o w t h a t b y i n c r e a s i n g t h e r e v e r s e b i a s v o l t a g e ,r e d u c i n g t h e p h o t o s e n s i t i v es u r f a c e a n d p a r a s i t i c p a r a m e t e r s (c h i p p a r a s i t i c c a pa c i t a n c e a n d r e s i s t a n c e ,p a c k a g e p a r a s i t i c c a p a c i t a n c e a n d r e s i s t a n c e ),s e l e c t i n g t h e a p p r o p r i a t e I Gz o n ew i d t h ,,u s i n g t h e r e s o n a n c ee f f e c to ft h el e a di n d u c t a n c e ,i tc a ns u p p r e s st h e w a v e f o r m r e s p o n s et o g e n e r a t e w a v e f o r md i s t o r t i o na sw e l l a s i m p r o v e t h e f r e q u e n c y r e s po n s eb a n d w i d t h .K e y wo r d s :P I N p h o t o d e t e c t o r s ;e q u i v a l e n t c i r c u i tm o d e l ;r a t e e q u a t i o n ;r e s p o n s e c h a r a c t e r i s t i c s 引言P I N 光电探测器具有灵敏度高㊁体积小㊁功耗低㊁响应速度快等优点,是光通信系统中的核心组成部分,其动态响应特性的优劣直接影响着整个通信系统的性能,P I N 光电探测器具有很大的科研价值[1G2].1993年,N .R .D e s a i 等人[3]提出了通用的P I N 光电探测器等效电路模型,被视为光电探测器等效电路模型的雏形.2002年,G W a n g 等人[4]在此基础上建立了具有载流子传输效应的等效电路模型,利用电阻㊁电容组成R C 电路来表征载流子的传输时间效应,能更真实反应光电探测器响应特性.应用光学第40卷第5期2001年,陈维友等人[5]将P I N 光电探测器简化为一维P I N 三层结构,通过分析载流子的变化和运动情况,引入归一化常数,将载流子速率方程转换为等效电路模型,建立了包含芯片寄生参量的P I N 光电探测器的等效电路模型,但没有考虑芯片在封装过程中所引入的封装寄生参量.2008年,陈苗等人[6]在此模型基础上,假设入射光全部被I 区吸收,建立了P I N 光电探测器的等效电路模型,但是没有考虑扩散电流对探测器的影响.2015年,赵军等人[7]同时考虑I 区中空穴和电子的运动情况,推导了P I N 光电探测器的等效电路模型.为了优化P I N 光电探测器的响应特性,本文同时考虑芯片寄生参量和封装寄生参量,利用速率方程推导了P I N 光电探测器的等效电路模型,系统分析了探测器中各主要参数对其性能的影响,为改善光电探测器的响应特性提供了理论依据.1㊀P I N 光电探测器等效模型考虑I 区电中性原则,并假设:1)N ㊁P 区耗尽层扩展相对于I 区宽度可忽略;2)I 区电场均匀,N ㊁P 区电场为零,光从图1中N 区入射,采用如下速率方程对反偏P I N 光电探测器的等效电路模型(如图1)进行推导[5G7].图1㊀P I N 光电探测器的一维结构F i g.1㊀O n e Gd i m e n s i o n a l s t r u c t u r e o fP I N p h o t o d e t e c t o r N 区:d P n d t =ηn P i n -P n τp -I pq (1)P 区:d N p d t =ηp P i n -N p τn -I n q (2)I 区:d N i d t =ηi P i n -N i τn r -N i τn t +I n q(3)式中:P n ㊁N p 为N ㊁P 区过剩空穴,电子总数;τn ㊁τp 为P ㊁N 区电子,空穴寿命;I n ㊁I p 为P ㊁N 区少数载流子的电子,空穴电流;q 为电子电荷;P i n 为输入光功率;N i 为I 区电子总数;τn r 为I 区电子复合寿命,τn t 为I 区电子漂移速度.各区中电子空穴对的产生率分别为[7]:ηn =(1-r )[1-e x p (-αnW n )]h ν(4)ηp =(1-r )[1-e x p (-αp W p )]e x p (αn W n +αi W i ) h ν(5)ηi =(1-r )[1-e x p (-αiW i )]e x p (αnW n ) h ν(6)式中:r 为反射率;αn ㊁αp ㊁αi 分别为N ㊁P ㊁I 区的光吸收系数;h ν为光子能量;W n ㊁W p ㊁W i 分别为N ㊁P ㊁I 区的宽度.为了将空穴电子等参量转化为电路变量,引入常量C n c ,同时令[5]:P n =V p q C n c N p =V n q C n c N i =V i q C n c(7)将(4)~(7)式带入(1)~(3)式,可得:d V p qd t C n c =P i n (1-r )h v [1-e x p (-αn W n )]-V p q τp-I pq (8)d V n qd t C n c =P i n (1-r )[1-e x p (-αp W p )]h v e x p (αn W n +αi W i )-V n q τn C n c -I nq(9)d V i qd t C n c =P i n (1-r )[1-e x p (-αiW i )]h v e x p (αn W n )-V i q τn r C n c -V i q τn t C n c +I nq(10)将扩散电流[8]I n =βn P i n +V n R n o,I p =βp P i n +V P R P 0带入上式并化简得:P i nV o p=C n c d V p d t +V p R P +βp P i n +V P R P 0(11)其中:V o p =h νq (1-r )[1-e x p (-αn W n )]R p =τpC n c I o p =P i n V o pP i nV o n =C n c d V n d t +V n R n +βn P i n +V n R n o(12)其中:V o n =h νe x p (αn W n +αiW i )q (1-r )[1-e x p (-αp W p )]R n =τn C n c I o n =P i n V o nP i nV o i +βn P i n +V n R n o =C n c d V i d t +V i R n r +V i R n t(13)其中:V o i =h νe x p (αnW n )q (1-r )[1-e x p (-αi W i )]R n r =τn r C n c R n t =τn t C n c I o i =P i nV o i427应用光学㊀2019,40(5)㊀张㊀辉,等:P I N 光电探测器的建模与仿真分析式中:βn ㊁R n 0分别表示扩散电子电流与V n ㊁P i n 的关系系数;βp ㊁R p 0分别表示扩散空穴电流与V p ㊁P i n 的关系系数.以N -I 界面为例,输出端电流为:I j =I i +I p ,此外需要考虑光电探测器内的芯片寄生和封装寄生参量.芯片寄生参量可用C c ㊁R c 和R d 来表示,其中C c =C p n +C s ,分别为结电容C pn =ε0εr A W i 和芯片与电极焊接所引起的并联电容C s ;R c 为芯片的串联电阻,包括芯片与电极的欧模接触电阻和体电阻;并联电阻R d 用来表征PI N P D 中的隧穿电流㊁漏电流等.封装寄生参量主要来源于封装过程中的载体和金丝,芯片焊盘与载体接触时引入并联电容C e ,引线金丝用于连接外部电路与芯片,本身呈现感性和阻性,分别用串联L e 和R e 表示[9G11].由(11)~(13)式及上述分析可得P I N 光电探测器等效电路模型如图2,该模型左支路为模拟光信号的输入,中间支路为电子空穴的变化情况,右支路为光电探测器实际输出电流.图2㊀P I N 光电探测器的等效电路模型F i g .2㊀E qu i v a l e n t c i r c u i tm o d e l o fP I N p h o t o d e t e c t o r 2㊀仿真分析2.1㊀I 区宽度W i 对P I N 光电探测器响应特性的影响㊀㊀图3和图4分别给出了在不同I 区宽度W i 下,P I N 光电探测器脉冲响应特性和交流小信号频率响应特性,I 区宽度W i 分别取:3μm ㊁10μm ㊁50μm ㊁100μm.图3㊀不同I 区宽度下的脉冲响应曲线F i g .3㊀P u l s e r e s po n s e c u r v e s a t d i f f e r e n t I Gz o n ew i d t hs 图4㊀不同I 区宽度下的频率响应曲线F i g .4㊀F r e q u e n c y r e s po n s e c u r v e s a t d i f f e r e n t I Gz o n ew i d t h s 由图3可知,I 区宽度W i 从3μm~100μm 变化时,输出光电流从3.8m A 先增大到8.4m A 再减小到4m A ;W i 取10μm 时,P I N 脉冲响应曲线最好,W i 取100μm 时,探测器输出的矩形脉冲变形失真最严重;当W i 分别为3μm ㊁10μm ㊁50μm ㊁100μm 时,脉冲响应时间分别大约为0.51n s㊁0 33n s ㊁0.84n s ㊁0.99n s .响应时间主要与载流子在I 区中的渡越时间㊁在I 区外的扩散时间和527应用光学第40卷第5期R C 时间常数有关[12G13],但由于I 区宽度较宽可以吸收绝大部分光子,因此扩散时间对响应时间常数的影响几乎可以忽略不计.当I 区宽度增加时,光电探测器结电容的减小会引起R C 时间常数的降低,但随着W i 值越来越大时,载流子在I 区中渡越时间的增加会越加严重,因此会造成脉冲响应时间先减小再增大.由上述分析可知:通过选择合适的I 区宽度W i ,使得脉冲响应时间最小,可以很好的抑制波形失真.从图4可知,当I 区宽度W i 分别取3μm ㊁50μm ㊁100μm 时,-3d B 频率响应带宽分别为3.1G H z ㊁2.2G H z ㊁1.6G H z ;只有当I 区宽度W i 取10μm 时,响应带宽达到了4.1G H z ,故存在一个最佳I 区宽度10μm 使频率响应带宽最大,与上述时域仿真结果一致.综合考虑响应度和响应时间,选择最佳I 区宽度W i 可以实现对P I N 光电探测器响应特性的优化.2.2㊀反偏电压V 1对P I N 光电探测器响应特性的影响㊀㊀图5和图6分别给出了在不同反偏电压V 1下,P I N 光电探测器脉冲响应特性和交流小信号频率响应特性,反偏电压V 1分别取:2V ㊁4V ㊁6V ㊁8V.图5㊀不同反偏电压下的脉冲响应曲线F i g .5㊀P u l s e r e s p o n s e c u r v e s a t d i f f e r e n t r e v e r s e b i a s v o l t a ge s 由图5可知,反偏电压V 1从2V~8V 变化时,输出光电流从1.2m A 增大到6.5m A ,响应上升时间从0.21n s 增大到0.91n s,下降时间从0 41n s 增大到0.81n s .这与由于输出光电流与I 区受激吸收产生的电子空穴对和载流子在I 区漂移的速度有关,随着光电探测器外加反偏电压的增大,I 区电场越强,载流子受到更强的电场力进而使得自身在I 区漂移速度更快,光电探测器内载流子累积速率提高造成的输出光电流增大[14].由图6㊀不同反偏电压下的频率响应曲线F i g .6㊀F r e q u e n c y r e s po n s e c u r v e s a t d i f f e r e n t r e v e r s e b i a s v o l t a ge s 上述分析可知,通过增大反偏电压可以降低响应延迟,优化脉冲波形.从图6可知,当反偏电压分别取2V ㊁4V ㊁6V ㊁8V 时,-3d B 频率响应带宽分别为4.6G H z㊁5.6G H z ㊁8.9G H z ㊁9.3G H z ,即P I N 光电探测器-3d B 频率响应带宽随着反偏电压的增大而增大.因此通过增大偏置电压可以优化探测器响应脉冲波形,提高频率响应带宽.2.3㊀光敏面A 对P I N 光电探测器响应特性的影响㊀㊀图7和图8分别给出了在不同光敏面A 下,P I N 光电探测器脉冲响应和交流小信号频率响应特性,光敏面A 分别取:6ˑ10-7,12ˑ10-8,6ˑ10-8,12ˑ10-9.图7㊀不同光敏面下的脉冲响应曲线F i g .7㊀P u l s e r e s po n s e c u r v e s a t d i f f e r e n t p h o t o s e n s i t i v e s u r f a c e s由图7可知,光敏面面积A 从12ˑ10-9~6ˑ10-7变化时,脉冲响应时间从0.33n s 增大到1.65n s.由此可知,光敏面面积A 值越大,探测器对入射光脉冲的响应时间越长,脉冲波形失真越严重.由图8可知,光敏面面积A 分别为6ˑ10-7㊁12ˑ10-8㊁6ˑ10-8㊁12ˑ10-9时,-3d B 频率响应627应用光学㊀2019,40(5)㊀张㊀辉,等:P I N光电探测器的建模与仿真分析图8㊀不同光敏面下的频率响应曲线F i g .8㊀F r e q u e n c y r e s po n s e c u r v e s a t d i f f e r e n t p h o t o s e n s i t i v e s u r f a c e s带宽分别为2.1G H z ㊁4.9G H z ㊁5.8G H z ㊁7.2G H z .即P I N 光电探测器-3d B 频率响应带宽随着光敏面面积的减小而增大,带宽的提高可以使得光电探测器响应更高频率的入射光.因此为了得到更好的光电探测器响应特性,可以通过减小光电探测器光敏面A 来实现,但同时要考虑减小光敏面所引起的光纤耦合问题.2.4㊀芯片寄生电阻R c 对P I N 光电探测器响应特性的影响㊀㊀图9和图10分别给出了在不同芯片寄生电阻R c 下,P I N 光电探测器脉冲响应特性和交流小信号频率响应特性,芯片寄生电阻R c 分别取:10Ω㊁20Ω㊁30Ω㊁40Ω.图9㊀不同芯片寄生电阻下脉冲响应曲线F i g .9㊀P u l s e r e s p o n s e c u r v e s a t d i f f e r e n t c h i ppa r a s i t i c r e s i s t a n c e s由图9可知,芯片寄生电阻R c 从10Ω~40Ω变化时,脉冲响应时间从0.37n s 增大到1.67n s ,由此可知,芯片寄生电阻R c 值越大,探测器的响应时间越长,脉冲波形逐渐失真.这与光电探测器的R C 时间常数有关,R C 时间常数表示过渡反应的时间过程的常数,当芯片寄生电阻R c 值越大,R C 时间常数越大,即载流子在光电探测器内图10㊀不同芯片寄生电阻下的频率响应曲线F i g .10㊀F r e q u e n c y r e s p o n s e c u r v e s a t d i f f e r e n t c h i ppa r a s i t i c r e s i s t a n c e s 传输时间变长会造成脉冲响应时间的增大[15].由图10可知,当电阻R c 分别取40Ω㊁30Ω㊁20Ω㊁10Ω时,-3d B 频率响应带宽分别为4.1G H z ㊁4.9G H z ㊁5.5G H z ㊁6.7G H z .P I N 光电探测器-3d B 频率响应带宽随着芯片寄生电阻的增大而减小,可以通过减小芯片寄生参量R c 的值,来改善探测器的响应特性.2.5㊀芯片寄生电容C c 对P I N 光电探测器响应特性的影响㊀㊀图11和图12分别给出了在不同芯片寄生电容C c 下,P I N 光电探测器调制响应特性和交流小信号频率响应特性,芯片寄生电容C c 分别取:0.1pF ㊁8p F ㊁18p F ㊁30p F.图11㊀不同芯片寄生电容下脉冲响应曲线F i g .11㊀P u l s e r e s p o n s e c u r v e s a t d i f f e r e n t c h i ppa r a s i t i c c a pa c i t a n c e s 由图11可知,芯片寄生电容C c 从0.1p F ~30p F 变化时,脉冲响应时间从0.22n s 增大到1 76n s ,输出电流从8.5m A 降低到4.4m A .芯片寄生电容C c 越大,脉冲响应时间越大;因为R C 时间常数随着芯片寄生电容的增大而增加,R C 时间常数的增加会引起载流子在光电探测器中的传输时间变长.727应用光学第40卷第5期图12㊀不同寄生芯片电容下的频率响应曲线F i g .12㊀F r e q u e n c y r e s p o n s e c u r v e s a t d i f f e r e n t c h i pp a r a s i t i c c a pa c i t a n c e s 由图12可知,当电容C c 分别取30p F ㊁18p F ㊁8p F ㊁0.1p F 时,-3d B 频率响应带宽分别为0.6G H z ㊁0.8G H z ㊁1.65G H z ㊁14G H z .光电探测器-3d B 频率响应带宽随着芯片寄生电容的减小而增大,可以通过减小芯片寄生电容来实现更好的频率和脉冲响应.2.6㊀封装寄生参量(R e ,C e ,L e )对P I N 光电探测器频率响应特性的影响㊀㊀图13给出了在不同封装寄生参量R e 下,P I N 光电探测器交流小信号频率响应特性.封装寄生参量R e 分别取1Ω㊁10Ω㊁20Ω㊁30Ω时,-3d B 频率响应带宽分别为9.8G H z ㊁8.3G H z ㊁6.2G H z㊁4.6G H z.因此可以通过减小封装寄生参量电阻R e 的值,改善光电探测器频率响应特性.图13㊀不同封装寄生串联电阻下频率响应曲线F i g .13㊀F r e q u e n c y r e s p o n s e c u r v e s a t d i f f e r e n t p a c k a ge pa r a s i t i c r e s i s t a n c e s 图14给出了在不同封装寄生参量C e 下,P I N 光电探测器对其交流小信号频率响应特性.封装寄生参量C e 分别取0.15p F ㊁0.35p F ㊁0.75p F ㊁1pF 时,-3d B 频率响应带宽大约为13.1GH z ㊁11.8G H z ㊁10.1G H z ㊁9.2G H z .因此可以通过减小封装寄生参量电容C e 的值,改善光电探测器频响特性.图14㊀不同封装寄生串联电容下频率响应曲线F i g .14㊀F r e q u e n c y r e s p o n s e c u r v e s a t d i f f e r e n t p a c k a ge p a r Ga s i t i c c a pa c i t a n c e s 图15给出了在不同封装寄生参量L e 下,P I N 光电探测器对其交流小信号频率响应特性.封装寄生参量L e 分别取0.1n H ㊁1n H ㊁5n H ㊁10n H ㊁20n H ㊁30n H 时,-3d B 频率响应带宽分别为3.1G H z ㊁3.9G H z ㊁4.2G H z ㊁2.2G H z ㊁1.3G H z ㊁0.41G H z.由图中可见,响应曲线存在谐振峰,这是由于封装寄生参量(R e ,C e ,L e )构成了谐振回路产生寄生振荡造成的.随着电感L e 的增大,频率响应带宽并不是一直减小,而是先增大在减小,故存在一个最佳的寄生电感值使得频率响应带宽最大.因此可以通过控制引线金丝的长短利用谐振效应,补偿光电探测器频率响应带宽.图15㊀不同封装寄生串联电感下的频率响应曲线F i g .15㊀F r e q u e n c y r e s p o n s e c u r v e s a t d i f f e r e n t p a c k a ge pa r a s i t i c i n d u c t a n c e s 3㊀结论本文以P I N 光电探测器的速率方程为基础,同时考虑了光电探测器内所存在的各种寄生参量,理论推导了光电探测器的等效电路模型,从瞬态响应和频率响应两方面仿真分析了影响探测器827应用光学㊀2019,40(5)㊀张㊀辉,等:P I N光电探测器的建模与仿真分析响应特性的因素,得出了5种可以抑制脉冲波形失真和提高频率响应带宽的方法:1)综合考虑响应度和响应时间,存在最佳I 区宽度W i可以实现对输出光电流㊁脉冲波形和频响特性的优化;2)增大反偏电压V1,可以抑制光电探测器在高频响应时出现的波形失真现象,扩展频率响应带宽,但当增大到一定程度时,I区场强饱和,响应时间不再减小;3)减小探测器的光敏面A可以改善光电探测器的响应特性,但必须考虑减小光敏面所引起的光纤耦合问题;4)光电探测器的R C时间常数会随着芯片寄生电阻R c和电容C c的减小而降低,进而抑制脉冲波形畸变,提高频率响应带宽;5)减小封装寄生参量(R e,C e)的值可以改善光电探测器频响特性;选取合适的封装寄生电感L e值,利用其谐振效应可以达到补偿探测器频率响应带宽的目的.参考文献:[1]㊀WA N G Y i c h e n g.D e v e l o p m e n to fu l t r ah i g hs p e e d s e m i c o n d u c t o r p h o t oGd e t e c t o r s[J].C o m p u t e r M e a sGu r e m e n t&C o n t r o l,2005,13(9):990G991.王益成.超高速半导体光电探测器的研制[J].计算机测量与控制,2005,13(9):990G991.[2]L IQ i n g w e i,L IW e 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u a t i o nf o rar a n d o m r o u g h s u r f a c e[J].C h i n S c iB u l l,2015,60(23):2188G2195.王明军,柯熙政,王姣,等.粗糙面激光脉冲非相干散射及强度起伏协方差函数[J].科学通报,2015,60(23):2188G2195.037。
文章编号:1672-8785(2021)01-0001-05p-i-n In&InGaAs光电探测器的电流及电容特性研究夏少杰陈俊"(苏州大学电子信息学院,江苏苏州215006)摘要:为了实现高灵敏度探测,红外探测器需要得到优化&利用Silvaco 器件仿真工具研究了 p-i-n 型InP/Ino. 53Ga 0.47As/In 0. 53Ga °. 47A s 光电探测器的结构, 并模拟了该结构中吸收层浓度和台阶宽度对暗电流以及结电容的影响&结果表 明,随着吸收层掺杂浓度的逐渐增大,器件的暗电流逐渐减小,结电容逐渐增 大。
当台阶宽度变窄时,器件的暗电流随之减小,结电容也随之变小。
最后研 究了光强和频率对器件结电容的影响&在低光强下,器件的结电容基本不变; 当光强增大到1 W /m 2时,器件的结电容迅速增大&器件的结电容随频率的升 高而减小,其 &关键词:近红外光电探测器;InP/InGaAs ;暗电流;结电容中图分类号:TN362文献标志码:A DOI : 10.3969/j.issn.1672-8785.2021.01.001Research on Current and Capacitance Characteristicsof p-i-n In&InGaAs PhotodetectorXIA Shao-jie ,CHEN Jun **收稿日期:2020-08-28基金项目:国家自然科学基金项目(61774108)作者简介:夏少杰(1995-),男,江苏苏州人,硕士生,主要从事红外光电器件研究。
*通讯作者:E-mail : ****************.cn(.School of Electronic and Information Engineering ,Soocho2 University ,Suzhou 215006,China )Abstract : In order to achieve high sensitivity detection ,infrared detectors need to be optimized. Based on the Silvaco device simulation tool, the photoelectric characteristics of p-i-n InP/IriQ,53GaQ,47As/In 0.53GaQ,47As photode tector is analyzed. The effects of absorption concentration and mesa width on dark current and junction capaci tance in the structure are simulated. The results show that as the doping concentration of the absorption layergradua <yincreases ,thedarkcu r entofthedevicegradua <ydecreases ,andthejunctioncapacitancegradua <y increases. When the mesa width becomes narrower ,the dark current of the device decreases ,and the junctioncapacitance becomes smaller. Finally ,the effect of light intensity and frequency on the device junction capaci tance is studied. At low light intensity ,the device junction capacitance is basically unchanged. When the light intensityincreasesto1 W /cm 2!thedevicejunctioncapacitanceincreasesrapidly2Thedevicejunctioncapaci-tance increases with frequency decreasing. The peak is caused by defect levels.Key words:near-infrared photodetector;InP/InGaAs;dark current;junction capacitance0引言随着红外探测技术的不断发展,红外探测器作为该技术中最核心的部分也发展极为迅猛&红外探测器可将人类肉眼不可见的红外辐射能转换为可测量的能量!其研究最重要的是材料和器件结构的选择。
摘要本论文工作围绕1.O.1.6um光通讯波段In0,53Gao.47AsPIN超高速光电探测器的研制开展,针对超高速光电探测器的特点,以光电探测器的设计、制作和测试\/为主要内容,研制出了一批性能良好的光电探测器,,f}导到了下面一些结果:…\1.在对光电探测器的卜V特性、量子效率、C—V特性和瞬态响应速度进行计算和讨论的基础上,进行了探测器的结构设计。
从优化探测器的响应速度、耦合效率和量子效率的角度出发,提出了合理的Ino.53Gao47AsPIN光电探测器的外延层材料结构和器件图形结构,利用这个结构进行了探测器的版图设计,得到了实用可行的正面入射台面结构Ino53Gao47AsPIN光电探测器版图。
2.通过正胶反转工艺、湿法腐蚀工艺和聚酰亚胺的钝化工艺实验,得到了合适的Ino53Qao47AsPIN光电探测器的单项工艺条件,利用这些单项工艺制定出了详细的探测器工艺流程,并且利用这个工艺流程制成了一批IIl0.53Gao47AsPIN光电探测器芯片。
3.通过对探测器卜V特性、光谱响应、C—V特性和瞬态时域响应的测试原理和方法的讨论,利用相应的测试设备对探测器的性能参数进行了测量,并对典型器件的测试结果进行了分析。
由探测器的卜V特性曲线得到了典型器件在.5V下的反向暗电流为640pA,,击穿电压为37V;由探测器的光谱响应得到了探测器的峰值响应波长为1.65um、短波方向的截止波长为Ium、长波方向的截止波长为1.75um;由探测器的C—V特性曲线得到了典型探测器的在.5V偏压下的电容约为1.4pf,通过对C—V特性的讨论得到了影响探测器的电容的主要因素是分布参数:由探测器的时域瞬态响应的测量得到了典型器件在.IOV下的上升时间为37ps,下降时间为30ps,半高宽为48ps,通过时域瞬态响应曲线,探讨了影响探测器响应速度的主要因素,得到了电路的RC时间常数、载流子在耗尽区外的扩散作用和测试系统的响应速度是影响探测器的响应速度的主要因素的结论,并且对测试系统中存在的问题进行了分析,预期改进测试系统后,可一l、以获得更符合实际的测量结果。
第20卷第7期半 导 体 学 报V o l.20,N o.7 1999年7月CH I N ESE JOU RNAL O F SE M I CONDU CTOR S Ju ly,1999 P IN IP结构a-Si∶H多色光电探测器电路模型研究陈维友 刘式墉(吉林大学电子工程系 长春 130023)摘要 本文以P I N IP结构各区载流子速率方程为基础,综合考虑了各区的多种物理过程,在适当的近似条件下,给出一个完整的P I N IP多色光电探测器电路模型.该模型的模型参数直接与各区的几何及电学参数相联系,对于器件的优化设计尤其方便.该模型可在开发O E I C电路模拟软件中采用,亦可加到现有电路模拟软件中.它可用于直流、交流、瞬态分析.EEACC:4140,4130,1130B1 引言对光电集成回路(O E I C)进行计算机辅助分析(CAA)是设计高性能O E I C的一个重要环节.实现O E I C2CAA的首要任务是开发光电子器件电路模型,电路模型的优劣直接关系到模拟软件的质量和模拟结果的精度.微电子电路的CAA已经比较成熟,国际上已有很多模拟软件推出,SP I CE就是其中最为著名的一个.随着电子技术的发展,会涌现出现有模拟器所不能处理的新结构、新功能器件,这样,就需要不断地对现有软件进行完善和扩充.因此,可以说科技不停步,CAA软件开发与完善工作就不会终止.目前微电子CAA的发展趋势是把工艺模拟、器件模拟和电路模拟有机地结合起来,形成一个具有良好用户界面的集成设计系统.O E I C2CAA工作只是近几年的事.目前的主要工作是开发各种光电子器件电路模型.已开发的光电子器件电路模型有体材料半导体激光器电路模型[1~3]、量子阱结构半导体激光器电路模型[4]、M S M光电二极管电路模型[5]、P I N光电二极管电路模型[6],P I N雪崩光电二极管电路模型[7]等.氢化非晶硅(a2Si∶H)因其成本低、工艺简单而成为重要的半导体材料.由于氢化非晶硅具有低的载流子迁移率和高的光敏感性,是制作诸如太阳能电池、光探测器、光导摄像管、光晶体管、色感器等光敏感器件的理想材料.P I N IP(N IP I N)结构氢化非晶硅多色光探测器[8~10]对于识别可见光三原色(红、绿、蓝),实现小型化的探测器阵列集成有很大发展潜力.Cesare给出一个简单的P I N IP两色光探测器SP I CE电路模型[8],模拟结果与实验结果陈维友 1965年出生,博士,副教授,现任吉林大学电子工程系副主任,电子科学与技术研究所副所长,主要从事光电子器件和光波导器件CAD工作 E2m ail:chw@m 刘式墉 1935年出生,教授,博士生导师,主要研究方向为聚合物发光器件,光波导理论,光电子器件CAD1998202207收到,1998207207定稿符合较好.这个模型是从器件的工作特性构造出来的宏观模型,其中许多参数需经过参数提取得到.由于该模型不是从器件的微观物理机制得来,因此,不能细致考虑各区的物理现象,特别是不能用于反向结出现雪崩的情况.本文以P I N IP 结构各区载流子速率方程为基础,综合考虑了各区的多种物理过程,如光吸收、载流子复合、扩散、漂移以及碰撞离化等,给出一个完整的P I N IP 光探测器电路模型.2 P IN IP -PD 电路模型图1(a )是P I N IP 一维结构示意图,图中给出本征区电场方向的各区载流子流动情况.图1 (a )P I N IP 2PD 一维结构示意图,(b )理想P I N IP 掺杂情况,(c )理想P I N IP 结构电场分布.为简单起见,我们假定P I N IP 结构是理想的,掺杂情况如图1(b )所示.对于实际器件,本征区不一定完全是本征的,可能是p 型或n 型,但只要P 、N 区的掺杂远大于 区,理想P I N IP 假定是合理的.此外我们假定在P 、N区内的耗尽区宽度远小于本征区宽度,可忽略:P 、N 区内电场为0,外部偏压完全降落在本征区.这样可得到图1(c )所示的电场分布.以下处理都针对光由P 1区入射,P 1端电压高于P 2端,并假定正向结为小注入,正向结中电场方向与内建场方向相同.对于P 2端电压高于P 1端的情况,处理过程完全类似.在以上假定下,忽略正向结中载流子碰撞电离,我们可以采用如下载流子速率方程P 1区(少子电子):d N p1d t =G p1-N p1nrp1+I np1q(1)I 1区:d N i1d t =G i1-N i1Σnri1-N i1Σnti1+I nn1q -I np1q (2)d P i1d t=G i1-P i1Σp ril-P i1Σp ti1+I pp1q -I pn1q(3)N 区(少子空穴):d P nd t=G n -P np rn+I pn1q-I pn2q (4)I 2区:d N i2d t=G i2+Τni2Φni2N i2+Τp i2Φp i2P i 2-Ni2nri2-Ni2nti2+I np2q (5)d P i2d t=G i2+Τni2Φni2N i2+Τp i2Φp i2P i2-P i2Σp ri2-P i2Σp ti2+I pn2q(6)P 2区(少子电子):495半 导 体 学 报20卷d N p2d t =G p2-N p2nrp2-I np2q(7)其中:Np1,N i1,N i2,Np2分别为P 1,I 1,I 2,P 2区过剩电子总数;P i1,P n ,P i2分别为I 1,N ,I 2区过剩空穴总数;G p1,G i1,G n ,G i2,G p2分别为入射光在P 1,I 1,N ,I 2,P 2区的电子2空穴对产生率;Σnrp1,Σnri1,Σnri2,Σnrp2分别为P 1,I 1,I 2,P 2区电子复合寿命;Σp ri1,Σp rn ,Σp ri2分别为I 1,N ,I 2区空穴复合寿命;Σnti1,Σnti2,Σp ti1,Σp ti2分别为电子和空穴在I 1,I 2区的渡越时间;q 为电子电荷;I np1 q 为I 1区注入到P 1区的少子(电子)扩散流,I pp1 q 为P 1区注入到I 1区的多子(空穴)流.关于多子流的计算,这里做一点说明:对于小的光产生情况,P 1区的多子密度改变可忽略,多子流可认为只与结偏压有关,而与光照无关,这样,可在无光照和I 1区无雪崩增益以及无复合的情况下得到.以下涉及的多子流的计算与此相同.I nn1 q 为N 区注入到I 1区的多子(电子)流,I pn1q 为I 1区注入到N 区的少子(空穴)扩散流,I pn2 q 为N 区注入到I 2区的少子(空穴)扩散流,I np2 q 为P 2区注入到I 2区的少子(电子)扩散流.Τni1,Τni2,Τp i1,Τp i2分别为电子和空穴在I 1,I 2区的漂移速度,Φni1,Φni2,Φp i1,Φp i2分别为电子和空穴在I 1,I 2区的碰撞离化率.对于雪崩区电场不均匀的情况,方程(5)、(6)中的雪崩增益项不能写成这样简单的形式.对I 1和I 2区采用电中性条件,P i1=N i1,P i2=N i2,方程(3)、(6)可省略,方程(5)可进一步写为d N i2d t =G i2+(Τni2Φni2+Τp i2Φp i2)N i2-N i2Σnri2-N i2Σnti2+I np2q(8) 下面给出几个重要关系式:G j =P in (1-R )exp -6j -1k =1Αk (Κ)Wkh Μ{1-exp [-Αj (Κ)W j ]}其中 j =1,2,3,4,5分别对应p 1,i 1,n ,i 2,p 2.当j =p 1时,上式中的求和项为0.Σnt j =WjΤn j,Σp t j =WjΤp j,j =i1,i2Τn j =Λn j F j ,Τp j =Λp j F j ,j =i1,i2F i1=V 1-Vbi1W i 1,F i2=V 2+V bi2W i2,V 1+V 2=V其中 P in 为入射光功率;R 为P 1区端面反射率;h Μ为光子能量;Αj ,W j 分别为j (=p 1,i 1,n ,i 2,p 2)区光功率吸收系数和宽度;Λn j ,Λp j 分别为j (=i 1,i 2)区电子和空穴迁移率;V 为外加偏压;V 1为I 1区压降;V 2为I 2区压降;V bi1,V bi2分别为P 12I 12N ,P 22I 22N 结内建势.对于a 2Si ∶H ,电子、空穴迁移率的场依赖关系是很复杂的,可采用下面的形式[11~14]Λn j (F j )=Λ0n j exp (F j F 0j ),j =i1,i2Λp j (F j )=Λ0p j Ηj F j ,j =i1,i2其中 F 0j ,Λ0n j ,Λ0p j 分别为j (=i 1,i 2)区电场参数、低场电子和空穴迁移率;Η为经验参数.关于空穴迁移率与电场的关系报道的很少.上面给出空穴迁移率与电场的关系是我们根据文献[14]提供的数据得到的近似关系.电子、空穴离化率可采用如下经验公式[15,16]5957期陈维友等: P I N IP 结构a 2Si ∶H 多色光电探测器电路模型研究Φn j(F j)=a n j exp[-(b n j F j)],j=i1,i2Φp j(F j)=a p j exp[-(b p j F j)],j=i1,i2其中 a n j,b n j,a p j,b p j为经验参数,可通过与实验数据的曲线拟合得到.为提高数值处理精度,引入一个归一化常数C no(可看作是一个电容),并令V n j=qN jC no,j=p1,i1,i2,p2,V pn=qP nC no(1)、(2)、(4)、(7)、(8)式可化为P in R op1=C nod V np ld t+V np1R nrp1-I np1(9)P in R o i1=C nod V ni1d t+V ni1R nri1+V ni1R nti1-I nn1+I np1(10)P in R on =C nod V pnd t+V pnR p rn-I pn1+I pn2(11)P in R o i2=C nod V ni2d t+V ni2R nri2+V ni2R nti2-I agi2-I np2(12)P in R op2=C nod V np2d t+V np2R nrp2+I np2(13)其中R o j=hΜexp6j-1k=1Αk W kq(1-R)[1-exp(-Αj W j)],j=p1,i1,n,i2,p2R nr j=Σnr j C no,j=p1,i1,n,i2,p2R nt j=Σnt j C no,j=i1,i2I agi2=C no V ni2(Τni2Φni2+Τp i2Φp i2)I nt j=V n j R nt j,j=i1,i2 方程(9)~(13)中涉及到多子流和少子流,即I x x x项,需要由稳态连续性方程推出,结果如下I pp1=qP n0L pnW nΣp rn sh(W n L pn){ch(W n L pn)[exp(qV1 kT)-1] +1-exp(-qV2 kT)}I nn1=qN p10L np1ch(W p1 L np1)W p1Σnrp1sh(W p1 L np1)[exp(qV1 kT)-1]I j=V jR d j+Βj P in+I j0,j=np1,np2,pn1,p n2其中,V pn1=V pn2=V pnR dnp1=-Σnrp1C no[ch(W p1 L np1)-1]R dnp2=Σnrp2C no[ch(W p2 L np2)-1]R dpn1=-Σp rnC no[ch(W n L pn)-1]695半 导 体 学 报20卷R dpn2=Σp rnC no[ch(W n L pn)-1]I np10=qN p10L np1[ch(W p1 L np1)+1]W p1Σnrp1sh(W p1 L np1)[exp(qV1 kT)-1]I np20=qN p20L np2[ch(W p2 L np2)+1]W p2Σnrp2sh(W p2 L np2)[exp(-qV2 kT)-1]I pn10=qP n0L pn[ch(W n L pn)+1]W nΣp rn sh(W n L pn)[exp(qV1 kT)-1]I pn20=-qP n0L pn[ch(W n L pn)+1]W nΣp rn sh(W n L pn)[exp(-qV2 kT)-1]Βnp1=-q(1-R)hΜΑp1L2np11-Α2p1L2np1[ch(W p1 L np1)+1]exp(-Αp1W p1)L np1sh(W p1 L np1) +exp(-Αp1W p1)-1Αp1L2np1[ch(W p1 L np1)-1]+Αp1exp(-Αp1W p1)Βnp2=q(1-R)exp-64j=1Αj W jhΜΑp2L2np21-Α2p2L2np2ch(W p2 L np2)+1L np2sh(W p2 L np2) +exp(-Αp2W p2)-1Αp2L2np2[ch(W p2 L np2)-1]-Αp2Βpn1=-q(1-R)exp-62j=1Αj W jhΜΑn L2pn1-Α2n L2pnch(W n L pn)+1L pn sh(W n L pn) +exp(-Αn W n)-1Αn L2pn[ch(W n L pn)-1]-ΑnΒpn2=q(1-R)exp-62j=1Αj W jhΜΑn L2pn1-Α2n L2pn[ch(W n L pn)+1]exp(-Αn W n)L pn sh(W n L pn) +exp(-Αn W n)-1Αn L2pn[ch(W n L pn)-1]+Αn exp(-Αn W n)其中 P n0,N p10,N p20为平衡态N,P1,P2区少子个数;L n j,L p j,D n j,D p j分别为j(=p1,i1,n, i2,p2)区电子、空穴扩散长度和扩散系数,且有关系L2n j=D n jΣnr j,L2p j=D p jΣp r j,k为Bo ltz m ann 常数;T为绝对温度.考虑器件各界面电流相等,对于I12N,I22N两界面,P I N IP2PD的端电流可写为I J=I nn1+I pn1-I nti1+C j1d V1d t=I pn2+I nti2+C j2d V2d t+I d(14)其中,C j1=Ε0Εs AW i1,C j2=Ε0Εs AW i2其中 Ε0为真空介电常数;Εs为材料相对介电常数;A为器件面积;I d为反向结隧穿漏电流,可写为[7]I d=(1A V2(V2+V B I2)W i2exp-(2W i2V2+V B I27957期陈维友等: P I N IP结构a2Si∶H多色光电探测器电路模型研究其中 (1,(2为两个经验参数.考虑P I N IP 2PD 的寄生串联电阻R s ,寄生漏电阻R d ,寄生电容C s ,由(9)~(14)式可得到如图2所示的P I N IP 2PD 电路模型.图2 P I N IP 2PD 电路模型图3 暗电流特性这里应说明的是,在用此模型进行直流求解时,必须满足条件Τn Φn +Τp Φp <1 Σnr +1 Σnt ,否则得到的结果没有意义.Τn Φn +Τp Φp 为雪崩增益,1 Σnr +1 Σnt 为复合损耗和传输损耗,当雪崩增益等于总损耗时就出现雪崩击穿,因此,只能Τn Φn +Τp Φp 无限接近1 Σnr +1 Σnt ,但不能相等.此外,由这个条件可得到雪崩击穿电压.3 模型验证为验证本模型的正确性,我们与文献[8]给出的结果进行了比较.器件结构及相关参数参见文献[8].本文采用的模型参数见表1.表中给出的参数主要取自文献[8],对于一些无法从文献[8]中得到的参数,如载流子寿命,扩散长度等,有的来自其它文献,有的取典型值.比较结果见图3~5.分别给出正偏压下暗电流曲线,蓝光照射下的光电流曲线和红光照射下的光电流曲线.比较证明,本文给出的模型构造方895半 导 体 学 报20卷法是可行的,给出的电路模型是正确的.表1 模型参数参数 单位值参数 单位值W p1 nm 5C no 1×10-12W i1 nm 70R s 810W n nm200R d 81×106W i2 nm 350C spF 1Wp2nm 40Λ0n(c m 2・V -1・s -1)1.2Σnr ns100Λ0p(c m 2・V -1・s -1)4×10-3Σp r ns 6500F 0 (V ・c m -1)1×106Αp1,Αn ,Αp2c m -1Η(c m ・V -1)1×10-6Αi1 c m -13×105(蓝),4×105(红)a n ,a p c m -11×104Αi2c m -170(蓝),115×104(红)b n ,b p (V ・c m -1)2×105RL n nm 10Κ Λm 0.63(蓝),0143(红)L p nm5V B I1 V 1.2Εs11.9V B I2 V 1.0A mm 2120(13.7×10-8(22×107图4 蓝光照射下的光电流特性图5 红光照射下的光电流特性4 结论以载流子速率方程为基础,在适当的假定条件下,经过大量的推导工作,我们给出了一个比较完整的P I N IP 2PD 电路模型.在这个模型中,有些表达式比较复杂,可以通过引入一些经验参数,使之简化,这些经验参数可以通过参数提取得到.参考文献[1] T ucker R .S .,IEEE T rans .M icrow .T heo ry T ech .,1983,31(3):289~294.[2] 陈维友,刘式墉,半导体学报,1991,12(7):416~422.[3] Chen W eiyou ,L iu Sh iyong ,IEEE J .Q uantum E lectron .,1996,32(12):2128~2132.9957期陈维友等: P I N IP 结构a 2Si ∶H 多色光电探测器电路模型研究006半 导 体 学 报20卷[4] Gao D.S.,Kang S.M.et al.,IEEE J.Q uantum E lectron.,1990,26(7):1206~1216.[5] Chen W eiyou,L iu Sh iyong,Journal of E lectronics(Ch inese),1994,11(4):377~382.[6] 陈维友,刘宝林,刘式墉,电子学报,1994,22(11):95~97.[7] Chen W eiyou,L iu Sh iyong,IEEE J.Q uantum E lectron.,1996,32(12):2105~2111.[8] Cesare G.,Irrera F.,L emm i F.,Pal m a F.,IEEE T rans.E lectron D evices,1995,42(5):835~839.[9] T sai H.K.,L ee S.C.,A pp l.Phys.L 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circu it2level si m u lati on.T h is m odel can be u sed as a SP I CE m odel,also can be u sed in the si m u lato r develop ing fo r O E I C.EEACC:4140,4130,1130B。