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基于神经网络的雪崩光电二极管SPICE模型构建

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湖南大学学报:自然科学版 2023年第10期50卷 84-89页

作者：谢海情宜新博曾健平曹武谢进凌佳琪长沙理工大学物理与电子科学学院湖南长沙410114 长沙理工大学柔性电子材料基因工程湖南省重点实验室湖南长沙410114 湖南大学物理与微电子科学学院湖南长沙410082

针对雪崩光电二极管(Avalanche Photodiode,APD)雪崩前后电流数量级相差大、I-V特性曲线变化剧烈的特点,在对I-V特性数据进行对数化、归一化预处理的基础上,采用浅层神经网络完成I-V函数拟合,并进一步优化神经网络结构以提升模型准确性... 详细信息

针对雪崩光电二极管(Avalanche Photodiode,APD)雪崩前后电流数量级相差大、I-V特性曲线变化剧烈的特点,在对I-V特性数据进行对数化、归一化预处理的基础上,采用浅层神经网络完成I-V函数拟合,并进一步优化神经网络结构以提升模型准确性.在此基础上,使用Verilog-A硬件描述语言实现APD的SPICE模型,并应用Cadence软件设计电路验证模型的有效性和准确性,引入相对误差评估模型的准确度.结果表明:优化后的神经网络学习的I-V特性函数与TCAD仿真数据的均方误差损失为2.544×10^(-7),SPICE模型验证电路采样数据与TCAD仿真数据的最大相对误差为3.448%,平均相对误差为0.630%,构建SPICE模型用时约50 h,实现了高精度、高效率的器件SPICE模型构建,对新型APD的设计与应用具有重要指导意义.

关键词： SPICE模型雪崩光电二极管神经网络相对误差

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碲镉汞雪崩光电二极管近年研究及应用进展

激光与红外 2022年第3期52卷 314-320页

作者：胡易林刘铭王成刚杨海燕郝斐华北光电技术研究所北京100015

碲镉汞雪崩光电二极管(HgCdTe APD)因其具有高增益、高带宽、高量子效率、低噪声的优良性能,在主动/被动成像、激光雷达、波前传感和光子计数等低光子探测领域有着广阔的应用前景,国外研究机构在该领域采用不同的技术路线进行了深入研... 详细信息

碲镉汞雪崩光电二极管(HgCdTe APD)因其具有高增益、高带宽、高量子效率、低噪声的优良性能,在主动/被动成像、激光雷达、波前传感和光子计数等低光子探测领域有着广阔的应用前景,国外研究机构在该领域采用不同的技术路线进行了深入研究。本文阐述了APD原理及结构,重点对近年来国外相关研究进展及应用情况进行了介绍,并对国内研究机构在碲镉汞雪崩光电二极管仿真模拟、器件制备等方面的研究成果进行了总结。

关键词：碲镉汞雪崩光电二极管雪崩光子探测

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雪崩光电二极管特性与测量

电子技术与软件工程 2022年第24期 142-146页

作者：张逸斐山西应用科技学院山西省太原市030062

本文首先介绍了雪崩光电二极管的应用特性及工作原理,随后在不同通信速率及不同偏压条件下对APD的灵敏度进行了即时测量,对光通信领域的接收性能提升提供了较好的理论指导及技术支持。

关键词：雪崩光电二极管器件结构灵敏度测量

不同晶态Ge薄膜键合层对InGaAs/Si雪崩光电二极管性能的影响研究

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中国激光 2023年第14期50卷 50-62页

作者：鲍诗仪母浩龙周锦荣黄志伟柯少颖闽南师范大学物理与信息工程学院福建漳州363000

由于InGaAs与Si之间存在7.7%的晶格失配,因此难以获得制备方式简单、性能良好的InGaAs/Si雪崩光电二极管(APD)。从理论上提出了一种从源头弱化InGaAs/Si晶格失配对APD性能影响的办法,即在InGaAs/Si键合界面引入一层a-Ge或poly-Ge键合层... 详细信息

由于InGaAs与Si之间存在7.7%的晶格失配,因此难以获得制备方式简单、性能良好的InGaAs/Si雪崩光电二极管(APD)。从理论上提出了一种从源头弱化InGaAs/Si晶格失配对APD性能影响的办法,即在InGaAs/Si键合界面引入一层a-Ge或poly-Ge键合层,模拟比较了InGaAs/Si APD性能随键合层厚度的变化情况。研究指出,a-Ge和poly-Ge材料作为键合层对载流子有阻挡或俘获作用,因此器件能够获得超低暗电流,且由于键合层导带势垒对载流子的阻挡作用,APD雪崩之后出现了光暗电流间隙,可以在较小暗电流情况下获得大的光电流。当a-Ge厚度为0.5 nm时,APD雪崩击穿前增益可达最大值451.3,而当poly-Ge厚度为0.5 nm时,雪崩击穿前增益仅为7.9。这种差异是由于poly-Ge键合层处价带出现了势阱,载流子浓度下降。该工作为超低噪声和高增益InGaAs/Si APD的研制提供了理论指导。

关键词：材料雪崩光电二极管 InGaAs/Si键合 ploy-Ge键合层 a-Ge键合层晶格失配

InGaAs/Si键合界面a-Si键合层厚度对InGaAs/Si雪崩光电二极管性能的影响

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光子学报 2022年第2期51卷 170-179页

作者：佘实现张烨黄志伟周锦荣柯少颖闽南师范大学物理与信息工程学院福建漳州363000

为从根本上阻断InGaAs/Si之间的失配晶格,获得低噪声的InGaAs/Si雪崩光电二极管,理论上在InGaAs/Si键合界面插入超薄a-Si键合层,彻底隔断键合界面异质晶格,同时保证InGaAs吸收层和Si倍增层超高的晶体质量和良好的电学传输。模拟了a-Si... 详细信息

为从根本上阻断InGaAs/Si之间的失配晶格,获得低噪声的InGaAs/Si雪崩光电二极管,理论上在InGaAs/Si键合界面插入超薄a-Si键合层,彻底隔断键合界面异质晶格,同时保证InGaAs吸收层和Si倍增层超高的晶体质量和良好的电学传输。模拟了a-Si键合层厚度对InGaAs/Si雪崩光电二极管性能影响。由于a-Si的载流子阻挡作用,器件在室温下获得了超低暗电流,且在偏压大于击穿电压后,光暗电流出现电流间隙,这将为超低噪声InGaAs/Si雪崩光电二极管的研制指明方向。

关键词： InGaAs/Si键合雪崩光电二极管 a-Si键合层晶格失配异质键合

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高耐压和低暗计数SiC紫外雪崩光电二极管

光学学报 2023年第3期43卷 1-6页

作者：杨成东夏开鹏马文烨高晏琦郁智豪苏琳琳无锡学院电子信息工程学院江苏无锡214105

碳化硅(SiC)雪崩光电二极管(APD)是一种独具优势的微弱紫外光探测器,其过偏压承受能力是确保器件可靠工作的一个重要因素。本工作设计并制备了穿通型SiC吸收层电荷控制层雪崩倍增层分离(SACM)APD。基于这种结构,器件电场从雪崩倍增层向... 详细信息

碳化硅(SiC)雪崩光电二极管(APD)是一种独具优势的微弱紫外光探测器,其过偏压承受能力是确保器件可靠工作的一个重要因素。本工作设计并制备了穿通型SiC吸收层电荷控制层雪崩倍增层分离(SACM)APD。基于这种结构,器件电场从雪崩倍增层向吸收层扩展,从而减小了雪崩倍增层内电场强度变化率,最终将器件过偏压承受能力提高到10 V;得益于吸收层的分压,雪崩倍增层的电场强度得到有效降低,载流子隧穿可能性减小,这能够有效降低器件暗计数,从而有利于提高器件探测灵敏度;此外,设计的SiC SACM APD倾斜台面仅刻蚀到雪崩倍增层上表面,这能够让器件填充因子提高至约60%,显著改善了深刻蚀导致的传统SACM结构有效光敏区域减小的问题。

关键词：探测器雪崩光电二极管碳化硅微弱紫外光探测器暗计数过偏压承受能力

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短波碲镉汞雪崩光电二极管单元器件的研究

短波碲镉汞雪崩光电二极管单元器件的研究

作者：胡易林中国电子科技集团公司电子科学研究院

学位级别：硕士

碲镉汞雪崩光电二极管(Hg Cd Te APD)作为典型的第三代红外探测器,因其具有高增益、高灵敏度、低噪声等特性,在激光雷达、光子计数等低光子探测领域有着广阔的应用前景。国内外研究机构在该领域采用不同的技术路线进行了深入研究。本研... 详细信息

碲镉汞雪崩光电二极管(Hg Cd Te APD)作为典型的第三代红外探测器,因其具有高增益、高灵敏度、低噪声等特性,在激光雷达、光子计数等低光子探测领域有着广阔的应用前景。国内外研究机构在该领域采用不同的技术路线进行了深入研究。本研究使用液相外延(LPE)技术生长碲镉汞材料,经过离子注入、热处理等工艺制备平面N-N-P型碲镉汞APD,并测试获得其单元器件的增益性能。对碲镉汞APD器件制备工艺改进以及结终端设计等方面进行了一系列研究,本次研究主要内容如下:1.离子注入、热处理参数对碲镉汞APD器件性能影响的研究。根据对碲镉汞进行离子注入成结机制的研究,注入后使用热处理获得浅掺杂的N型区。针对离子注入能量、剂量以及热处理时间参数,使用正交试验法,获得增益性能最高的器件制备参数:离子注入能量为250ke V,离子注入剂量为1×10cm,热处理时间为15min。2.像元形状对碲镉汞APD器件击穿电压及增益影响的研究。相比于采用圆角矩形注入区设计的像元,圆形像元由于完全消除了边缘尖角,降低了电场集中效应,器件的击穿电压均有所提高,导致器件增益水平有所增加,在90左右。3.针对离子注入前相关工艺进行研究。研究了钝化前碲镉汞材料表面预清洁处理对器件性能的影响,结果表明现有工艺即可满足要求。对转P型退火实验表明340℃的温度对于获得更好性能的碲镉汞APD器件最为有利。4.碲镉汞APD器件的结终端设计研究。设计场限环结构提供分压作用,并针对场限环的环数量、环宽度以及环间距进行研究。环宽度为2μm、环间距为4μm的单场限环结构的碲镉汞APD可以获得约90的雪崩增益,并且增加场限环可以有效提高器件的击穿电压,抑制结区的横向雪崩碰撞。

关键词：碲镉汞雪崩光电二极管离子注入热处理场限环

基于0.35μm高压CMOS工艺的横向线性雪崩光电二极管

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红外与毫米波学报 2022年第4期41卷 668-671页

作者：鞠国豪程正喜陈永平中国科学院上海技术物理研究所上海200083 中国科学院大学北京100049 上海科技大学信息科学与技术学院上海201210 南通智能感知研究院江苏南通226000

提出了一种基于0.35μm高压CMOS工艺的线性雪崩光电二极管(Avalanche Photodiode,APD)。APD采用了横向分布的吸收区-电荷区-倍增区分离(Separate Absorption,Charge and Multiplication,SACM)的结构设计。横向SACM结构采用了高压CMOS工艺层中的DNTUB层、DPTUB层、Pi层和SPTUB层,并不需要任何工艺修改,这极大的提高了APD单片集成设计和制造的自由度。测试结果表明,横向SACM线性APD的击穿电压约为114.7 V。在增益M=10和M=50时,暗电流分别约为15 nA和66 nA。有效响应波长范围为450~1050 nm。当反向偏置电压为20 V,即M=1时,峰值响应波长约为775 nm。当单位增益(M=1)时,在532nm处的响应度约为最大值的一半。

关键词：雪崩光电二极管横向SACM 高压CMOS工艺击穿电压

InGaAs/InP雪崩光电二极管单光子探测器研究

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InGaAs/InP雪崩光电二极管单光子探测器研究

作者：李阳俊吉首大学

学位级别：硕士

盖革模式下的雪崩光电二极管(APD)具有高增益和高探测效率,可以实现对弱光信号的探测,因此以雪崩光电二极管为基础的探测器件在民用以及军用领域有着广泛的应用。然而,盖革模式下不可忽略的暗电流一直是限制高性能器件的主要原因。针对... 详细信息

盖革模式下的雪崩光电二极管(APD)具有高增益和高探测效率,可以实现对弱光信号的探测,因此以雪崩光电二极管为基础的探测器件在民用以及军用领域有着广泛的应用。然而,盖革模式下不可忽略的暗电流一直是限制高性能器件的主要原因。针对雪崩光电二极管器件暗电流的研究,大都还停留在实验对经典理论公式的验证,存在时间周期长和价格昂贵等限制。目前来说,仿真模拟是设计和优化器件的常用手段。鉴于此,本文利用sentaurus TCAD建立了In Ga As/In P雪崩光电二极管的仿真模型,详细分析了各个器件参数对暗电流的影响。通过结合器件暗电流来源机制和提取内部关键参数,建立了一个能够预测器件光子探测效率和暗计数的理论模型。具体研究内容如下:1.对平面结的In Ga As/In P雪崩光电二极管进行数值模拟,详细地分析了内部的暗电流机理。讨论了不同倍增层吸收层厚度,以及倍增层和吸收层少子寿命对各暗流成分主导情况。研究结果表明,倍增层厚度对直接隧穿(BBT)和缺陷辅助隧穿(TAT)暗电流影响较大,倍增层厚度越大,隧穿暗电流越小,而吸收层厚度的变化则主要影响热产生复合(SRH)暗电流。少子寿命可以等效为陷阱浓度,其对暗电流造成显著的影响。TAT暗电流会随着倍增层少子寿命变化而变化,而SRH暗电流基本不变。SRH和TAT暗电流都会随着吸收层少子寿命的改变而变化。2.基于In Ga As/In P雪崩光电二极管,利用暗电流理论模型公式和器件内部参数,建立了一个可以预测器件光子探测效率和暗计数的理论模型。结果表明,光子探测效率与吸收层厚度成正比,而随倍增层厚度的增加表现出先增大后减小的趋势。不同吸收层和倍增层厚度下光子探测效率和暗计数权衡关系表明,低光子探测效率下,暗计数随着吸收层厚度增加而增加。当光子探测效率接近最大量子效率时,暗计数以指数增长。倍增层会对隧穿暗计数有较大的影响,在给定光子探测效率下,倍增层厚度越小暗计数越大。3.对不同吸收层、倍增层厚度、偏置电压下暗计数与温度的关系,以及不同温度下光子探测效率和暗计数的权衡关系进行了研究。研究结果表明,温度会显著影响热产生复合暗计数,并且因为不同器件参数下会导致暗计数的来源机制发生改变,所以总暗计数在不同参数条件具有不同的表现趋势。另外,不同温度下暗计数和光子探测效率的权衡关系表明,低温时,暗计数随光子探测效率增加变化明显,而在高温时,暗计数随光子探测效率增加变化较小。

关键词：暗电流暗计数光子探测效率雪崩光电二极管