2024年6月1日发(作者：芒娟娟)
Si/Si_(1-x)Ge_x量子阱APD增强红外吸收的研究
为突破硅基探测器在红外探测中由硅本征禁带宽度导致的1104 nm波长截止,
设计出比现阶段普遍使用的稀土元素红外探测器(如In Ga As探测器)成本更低、
噪声更小、兼容性更好的硅基量子阱雪崩红外探测器。本文通过Silvaco TCAD
进行模拟仿真以设计近红外短波吸收增强型APD,并将Si/Si1-xGex量子阱量子
阱结构加入APD的吸收区进一步提高长波长范围的吸收率并拓宽APD的响应范围。
最终达到优化硅基APD增强红外吸收的目的。作为研究的第一步利用Athena
工艺仿真模块设计模拟流片制备外延12μm APD的整个工艺过程,并利用Atlas
对APD内部结构可以直接设定的优势仿真10μm吸收区的APD探测像元。
对比12μm吸收区APD探测像元和吸收区为10μm的APD探测像元的光谱响
应,得出了吸收区10μm的SACM结构吸收峰在0.5μm处,而吸收区厚度加厚的
12μm外延层APD探测像元具有宽谱响应并在0.8μm 1.1μm的近红外区保持着
较大的光电流,由此验证了更大的吸收区域使更多的光子尤其是长波长光子在器
件较深的吸收区被吸收。在以上10μm APD器件基础上加入Si/Ge异质结量子阱
结构并仿真其光电特性,得到了Ge/Si/Ge异质结量子阱APD光电流比暗电流提前
10V击穿的结果,这意味着在光信号雪崩放大时暗电流尚未倍增,有效地抑制了
噪声。
通过比较双异质结量子阱APD和6层Ge的量子阱APD的光谱得出Ge层数的
增加使光谱峰红移0.05μm,但是Ge层数的增加使异质结表面位错增加,降低了
载流子输运。基于以上研究考虑将Si/Ge异质结量子由失配度更小的
Si/Si1-xGex量子阱代替引入器件的吸收区。
通过讨论加入含Ge的量子阱结构在工艺温度上所需要注意的问题设计了低
温推结的工艺的无量子阱硅基APD对照组,并在吸收区加入Si/Si1-xGex量子阱
结构仿真得到了它们的光电特性。得出Si/Si1-xGex量子阱APD使得原本的硅基
雪崩光电二极管的吸收范围突破室温下1104 nm的硅截止波长的限制有效拓宽至
1.2μm,同时通过与未加入量子阱结构的对照组进行光谱比较,Si/Si1-xGex量
子阱结构加入吸收区使光信号在红外波段提高了至少10倍,有效提高了信噪比。
通过分析Ge含量x与禁带宽度和折射率的关系,得出Si/Si1-xGex量子阱
APD具有上述优点是因为Si/Si1-xGex/Si不仅是一个量子阱结构还是一个光波
导结构,有效提高了光的吸收和利用。
2024年6月1日发(作者：芒娟娟)
Si/Si_(1-x)Ge_x量子阱APD增强红外吸收的研究
为突破硅基探测器在红外探测中由硅本征禁带宽度导致的1104 nm波长截止,
设计出比现阶段普遍使用的稀土元素红外探测器(如In Ga As探测器)成本更低、
噪声更小、兼容性更好的硅基量子阱雪崩红外探测器。本文通过Silvaco TCAD
进行模拟仿真以设计近红外短波吸收增强型APD,并将Si/Si1-xGex量子阱量子
阱结构加入APD的吸收区进一步提高长波长范围的吸收率并拓宽APD的响应范围。
最终达到优化硅基APD增强红外吸收的目的。作为研究的第一步利用Athena
工艺仿真模块设计模拟流片制备外延12μm APD的整个工艺过程,并利用Atlas
对APD内部结构可以直接设定的优势仿真10μm吸收区的APD探测像元。
对比12μm吸收区APD探测像元和吸收区为10μm的APD探测像元的光谱响
应,得出了吸收区10μm的SACM结构吸收峰在0.5μm处,而吸收区厚度加厚的
12μm外延层APD探测像元具有宽谱响应并在0.8μm 1.1μm的近红外区保持着
较大的光电流,由此验证了更大的吸收区域使更多的光子尤其是长波长光子在器
件较深的吸收区被吸收。在以上10μm APD器件基础上加入Si/Ge异质结量子阱
结构并仿真其光电特性,得到了Ge/Si/Ge异质结量子阱APD光电流比暗电流提前
10V击穿的结果,这意味着在光信号雪崩放大时暗电流尚未倍增,有效地抑制了
噪声。
通过比较双异质结量子阱APD和6层Ge的量子阱APD的光谱得出Ge层数的
增加使光谱峰红移0.05μm,但是Ge层数的增加使异质结表面位错增加,降低了
载流子输运。基于以上研究考虑将Si/Ge异质结量子由失配度更小的
Si/Si1-xGex量子阱代替引入器件的吸收区。
通过讨论加入含Ge的量子阱结构在工艺温度上所需要注意的问题设计了低
温推结的工艺的无量子阱硅基APD对照组,并在吸收区加入Si/Si1-xGex量子阱
结构仿真得到了它们的光电特性。得出Si/Si1-xGex量子阱APD使得原本的硅基
雪崩光电二极管的吸收范围突破室温下1104 nm的硅截止波长的限制有效拓宽至
1.2μm,同时通过与未加入量子阱结构的对照组进行光谱比较,Si/Si1-xGex量
子阱结构加入吸收区使光信号在红外波段提高了至少10倍,有效提高了信噪比。
通过分析Ge含量x与禁带宽度和折射率的关系,得出Si/Si1-xGex量子阱
APD具有上述优点是因为Si/Si1-xGex/Si不仅是一个量子阱结构还是一个光波
导结构,有效提高了光的吸收和利用。