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半导体光电探测器作为一种最基本的光电转换器件,在当今的生产生活中有着广泛的应用。其中,InP/InGaAs材料体系的盖革雪崩光电二极管,因为其具有红外单光子探测的能力,可以在量子密钥分配、卫星激光测距等多个领域中发挥用途,从而受到人们的重视与关注。本论文正是基于此而作出的。
本论文的工作围绕着InP/InGaAs盖革雪崩光电二极管的设计与工艺而进行,其主要内容包括:
深入分析了InP/InGaAs雪崩光电二极管的内部物理机制和工作原理,对盖革雪崩光电二极管的设计思路进行了探讨和归纳。应用器件模拟软件Medici,对器件内部的电场分布及雪崩击穿性质进行了模拟仿真,同时提出了一套具体的器件优化设计方法,这包括了最优的顶层平面PN结结深和击穿电压的确定,以及对抑制边缘击穿的结构的效果的评价与判定。应用器件模拟软件Medici,设计了一种新的层叠边缘结结构,并将其抑制边缘击穿的效果与传统的浮动保护环结构进行了比较。
根据设计出的新型结构,设计并实现了整个工艺流程。利用一次性的Be离子注入,在完成器件中央P型区的掺杂的同时也实现了对边缘击穿的抑制结构的制做,达成了高器件性能与低工艺复杂度的结合。解决了多个工艺流程的技术难点,包括:通过预先注入P离子,完美解决了Be离子注入退火过程中的再扩散问题,控制结深使精确符合设计的要求;通过湿法与干法刻蚀相结合的方法,成功在InP表面上实现了设计的凹陷形状。
成功研制出InP/InGaAs盖革雪崩光电二极管单个器件。在室温下,该器件的击穿电压为51.2V,与模拟仿真的预测值54.3 V高度符合,也同时证明了层叠边缘结结构对边缘击穿抑制的有效性。在-60℃时,有源区直径为96μm的器件其暗电流为10-12A,暗计数为0.0015/门,在国内报导结果中处于先进水平。