Ⅲ-Ⅴ族雪崩光电二极管的碰撞电离工程设计及噪声特性研究

作     者：崔星宇 

作者单位：长春理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：唐吉龙

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 0803[工学-光学工程] 

主      题：雪崩光电二极管 器件仿真 过剩噪声 暗电流 碰撞电离工程 

摘      要：光电子器件的发展为人们的生活提供了方便和快捷,光电探测器是光接收器件,是光电子器件中的重要组成部分。雪崩光电探测器(APD)是应用最广泛的光电探测器,与没有内部增益的光电探测器相比,具有信噪比大、灵敏度高的优势。因此对APD的开发和研究是光电探测器研究的主要方向之一。制约APD性能的主要因素是其内部增益带来的过剩噪声和暗电流。在本文中,我们通过SACGM结构的InGaAs/InP APD模型,深入研究了APD的工作原理、特性参数,并在此基础上,仿真设计出一种新型的低噪声In P APD。具体内容包括:(1)使用半导体仿真软件silvaco TCAD建立了SACGM结构的InGaAs/InP APD物理模型,对APD的物理机制、工作原理以及结构参数进行了研究,包括器件内部电场分布、暗电流特性、器件穿通电压和击穿电压等,分别在不同结构参数下,得到了多组器件特性的仿真数据,通过分析,得出了器件特性与各项结构参数的关系,为后续的设计提供指导。(2)具体研究了APD增益与噪声的产生过程,讨论了降低噪声的方法。利用数值计算的方法模拟了APD噪声与增益的物理机制,对薄倍增层中死区效应降低器件过剩噪声的机制进行了分析与计算。同时也研究了特殊异质结结构APD低噪声的原因,通过数值模拟,进一步分析了器件的噪声特性。(3)基于模拟结果,提出了一种具有特殊设计倍增区的In P基雪崩光电二极管,利用碰撞电离工程(IE)设计了双电荷层,双倍增层结构的APD,通过在倍增区中插入电离阈值能量不同的材料,在倍增区内形成电离阈值能量的分级,以控制发生电离的位置,从而降低噪声。对设计的器件进行了建模计算,并给出了完整的仿真结果,获得了低噪声高性能的APD。