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雪崩光电器件过剩噪声分析

激光与红外 2021年第11期51卷 1472-1478页

作者：张冰郭雪凯胡从振辛有泽于善哲雷述宇西安交通大学微电子学院陕西西安710049 宁波飞芯电子科技有限公司浙江宁波315000 北京大学微纳加工国家重点实验室北京100871

基于光子在雪崩光电器件内吸收位置的差异,提出过剩噪声因子在器件垂直方向的分布模型,并基于TCAD和Matlab仿真,验证了模型的有效性。模型考虑了光子在硅雪崩器件内不同吸收位置的过剩噪声因子,结合光子在器件深度方向的吸收比例,计算器... 详细信息

基于光子在雪崩光电器件内吸收位置的差异,提出过剩噪声因子在器件垂直方向的分布模型,并基于TCAD和Matlab仿真,验证了模型的有效性。模型考虑了光子在硅雪崩器件内不同吸收位置的过剩噪声因子,结合光子在器件深度方向的吸收比例,计算器件(器件结构由TCAD构造)的平均噪声因子水平:2.33@E=3.4×10^(5)V/cm和5.34@E=3.6×10^(5)V/cm,比单独考虑光子在N中性体区吸收(过剩噪声因子:2.88@E=3.4×10^(5)V/cm和12.94@E=3.6×10^(5)V/cm)或P中性体区吸收(过剩噪声因子:2.21@E=3.4×10^(5)V/cm和3.79@E=3.6×10^(5)V/cm),更能反映器件的真实工作情况。

关键词：雪崩光电二级管增益雪崩倍增过剩噪声

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纳米尺度MOSFET过剩噪声的定性分析

物理学报 2011年第10期60卷 568-572页

作者：唐冬和杜磊王婷岚陈华陈文豪西安电子科技大学技术物理学院西安710071

最近实验表明纳米尺度MOSFET中的过剩噪声主要为散粒噪声,而此前研究认为MOSFET中不存在散粒噪声,短沟道MOSFET中的过剩噪声为热噪声.本文基于器件电流模型分析散粒噪声取代热噪声成为过剩噪声主要成分的转变条件,根据该条件对纳米尺度M... 详细信息

最近实验表明纳米尺度MOSFET中的过剩噪声主要为散粒噪声,而此前研究认为MOSFET中不存在散粒噪声,短沟道MOSFET中的过剩噪声为热噪声.本文基于器件电流模型分析散粒噪声取代热噪声成为过剩噪声主要成分的转变条件,根据该条件对纳米尺度MOSFET噪声特性的预测与文献报道的实验现象、模拟结果以及介观散粒噪声相关结论相符合.

关键词：散粒噪声过剩噪声纳米尺度MOSFET

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碲镉汞光子计数型线性雪崩探测器(特邀)

红外与激光工程 2023年第3期52卷 12-26页

作者：郭慧君陈路杨辽沈川谢浩林春丁瑞军何力中国科学院上海技术物理研究所红外成像材料与器件重点实验室上海200083 上海科技大学信息科学与技术学院上海201210

单光子计数技术在弱信号探测和时间测距中具有重大的应用前景。自从20世纪70年代可见光的光子计数系统研发以来,国际上该领域内的研发小组在不断地发展完善光子计数技术,充分放大光子信号,以降低电子设备的读出噪声。电子倍增电荷耦合器... 详细信息

单光子计数技术在弱信号探测和时间测距中具有重大的应用前景。自从20世纪70年代可见光的光子计数系统研发以来,国际上该领域内的研发小组在不断地发展完善光子计数技术,充分放大光子信号,以降低电子设备的读出噪声。电子倍增电荷耦合器件(Electron Multiplying Charge Coupled Devices,EMCCDs)具有更高的量子效率,可替代传统的可见光光子计数系统,但较大的雪崩噪声阻碍了倍增下入射光子数的准确获取。碲镉汞线性雪崩器件(HgCdTe APD)的过剩噪声因子接近1,几乎无过剩噪声;相对于盖革模式的雪崩器件,没有死时间和后脉冲,不需要淬灭电路,具有超高动态范围,光谱响应范围宽且可调,探测效率和误计数率可独立优化,开辟了红外波段光子计数成像的新应用领域,在天文探测、激光雷达、自由空间通信等应用中具有重要价值。美国雷神(Raytheon)公司和DRS技术公司、法国CEA/LETI实验室和Lynred公司、英国Leonardo公司先后实现了碲镉汞线性雪崩探测器的单光子计数。文中总结了欧美国家在碲镉汞光子计数型线性雪崩探测器研究方面的技术路线和研究现状,分析了吸收倍增分离型(Separation of Absorption and Magnification,SAM)、平面PIN型和高密度垂直集成型(High Density Vertically Integrated Photodiode,HDVIP)三种结构的HgCdTe APD器件性能、光子计数能力以及制备优缺点。雷神公司采用分子束外延(Molecular-Beam Epitaxy,MBE)方式制备了空穴倍增机制的SAM型短波HgCdTe APD器件,增益可达350,光子探测效率达95%以上,工作温度达180 K以上。DRS技术公司采用液相外延(Liquid Phase Epitaxy,LPE)碲镉汞材料制备了电子倍增机制的HDVIP型中波HgCdTe APD器件,在0.4~4.3μm的可见光到中红外波段都能响应,最高增益可达6100,光子探测效率大于70%,可实现110 Mbps的自由空间通信。CEA/LETI实验室和Lynred公司采用分子束外延或液相外延制备了电子倍增机制的PIN型短波和中波HgCdTe APD器件,短波器件增益达2000,中波最高增益可达13000,内光子探测效率达90%,实现了80 Mbps的自由空间通信,在300 K和增益为1时,带宽最高达10 GHz。英国Leonardo公司采用金属有机气相沉积(Metal Organic Vapor Phase Epitaxy,MOVPE)方式制备了电子倍增机制的SAM型短波HgCdTe APD器件,命名为Selex Avalanche Photodiode HgCdTe Infrared Array(SAPHIRA),器件增益可达66@14.5 V,单光子探测率达90%以上,中心距为24μm的320×256阵列的SAPHIRA器件供给法国First Light Imaging公司,研发出了C-RED ONE相机,相机成功应用于美国天文探测的密歇根红外组合器(Michigan Infrared Combiner,MIRC),将MIRC的系统噪声降低了10~30倍,大大提高了条纹探测的信噪比。国内碲镉汞雪崩探测器研究起步比较晚,主要研究机构有中国科学院上海技术物理研究所、昆明物理研究所和华北光电技术研究所,受限于芯片制备技术和电路技术,目前没有实现光子计数方面的应用,但在焦平面研制上取得了一定进展。中国科学院上海技术物理研究所研制了PIN结构的单元、128×128阵列、320×256阵列中波HgCdTeAPD器件,器件增益可达1000以上,增益100以内,增益归一化暗电流密度低于1×10^(−7)A/cm^(2),增益400以内的过剩噪声因子小于1.5,增益133时的噪声等效光子数为12,进行了短积分快速成像演示;单元器件带宽可达300~600 MHz。昆明物理研究所研制了PIN结构的单元和256×256阵列的中波HgCdTe APD器件,单元器件增益可达1000以上;在偏压8.5 V以内,焦平面平均增益归一化暗电流为9.0×10^(−14)~1.6×10^(−13)A,过噪因子F介于1.0~1.5之间。国内主要是研制平面PIN结构的HgCdTe APD器件,技术路径与法国基本相同。因而,我国可借鉴CEA/LETI实验室成功经验和Lynred公司的运营模式,持续推进HgCdTe APD器件的研究,以早日达到国际先进水平,实现单光子探测和光子计数应用。

关键词：碲镉汞光子计数线性雪崩光子探测效率器件结构过剩噪声

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

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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：崔星宇长春理工大学

学位级别：硕士

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... 详细信息

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。

关键词：雪崩光电二极管器件仿真过剩噪声暗电流碰撞电离工程

低噪声InGaAs/InP雪崩光电二极管的模拟分析

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中国激光 2021年第17期48卷 10-16页

作者：崔星宇林逢源张志宏唐吉龙方铉房丹王登魁李科学魏志鹏长春理工大学高功率半导体激光国家重点实验室吉林长春130022

提出了一种吸收区-电荷区-倍增区分离(SACM)结构的InGaAs/InP雪崩光电二极管,利用碰撞电离工程(I^(2)E)设计了双电荷层双倍增层结构的InP雪崩光电二极管(APD),通过在倍增区中设置电离阈值能量的分级,控制碰撞电离的位置,从而降低噪声。... 详细信息

提出了一种吸收区-电荷区-倍增区分离(SACM)结构的InGaAs/InP雪崩光电二极管,利用碰撞电离工程(I^(2)E)设计了双电荷层双倍增层结构的InP雪崩光电二极管(APD),通过在倍增区中设置电离阈值能量的分级,控制碰撞电离的位置,从而降低噪声。采用器件仿真器Silvaco对器件进行建模,仿真计算了新结构器件的能带结构、电场分布、暗电流、光响应电流和增益等。新结构器件可以获得较低的噪声系数k(k=α/β,其中α、β分别为空穴与电子的电离系数),在30 V电压下,k=0.15。与常规的SACM InP APD相比,分析结果表明,新结构APD器件具有了较好的噪声特性。

关键词：材料 InGaAs/InP 碰撞电离工程(I^(2)E) 吸收区-电荷区-倍增区分离电离阈值能量过剩噪声

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短沟道MOSFET高频噪声特性研究

短沟道MOSFET高频噪声特性研究

作者：王林西南科技大学

学位级别：硕士

短沟道MOSFET因其高集成度、高性能、低功耗和低成本的优点,被广泛应用于射频与毫米波集成电路中。作为设计CMOS低噪声电路的基础,不同工艺下其高频噪声模型明显不同,因此新型器件噪声模型的建立往往都滞后于新型器件的出现。用于高频... 详细信息

短沟道MOSFET因其高集成度、高性能、低功耗和低成本的优点,被广泛应用于射频与毫米波集成电路中。作为设计CMOS低噪声电路的基础,不同工艺下其高频噪声模型明显不同,因此新型器件噪声模型的建立往往都滞后于新型器件的出现。用于高频领域的CMOS技术的缩比进展表明其最佳的高频性能已从低中反区转移至弱反区。而随着器件尺寸的缩小,器件高频过剩噪声日益增加,其主要成分主要从热噪声转变为散粒噪声,传统的长沟道噪声模型已不能完全表征器件相关噪声。并且短沟道MOSFET噪声等效模型表征了器件的高频噪声特性,利用该模型不仅可以指导电路设计,而且可以指导芯片制造者做出更高性能的器件。本文重点研究短沟道MOSFET高频噪声特性,主要内容包括如下几个方面:基于40纳米MOSFET的器件物理结构,并结合漂移-扩散方程和电荷守恒定律,提出了基于物理的高频漏极电流噪声模型、感应栅极电流噪声模型及其与漏极电流噪声的互相关噪声模型,以此来统一表征噪声从弱反区到强反区的频率与偏置依赖性。通过将衬底噪声模型和有效栅极过载引入高频噪声模型中,使得统一模型具有良好的准确性、连续性和平滑性。最后,基于短沟道MOSFET高频等效噪声电路模型及其四噪声参数文献数据,利用二端口网络噪声去嵌技术提取漏极电流噪声、感应栅极电流噪声和互相关噪声的数据,并通过与所建模型的仿真数据对比,分析了短沟道MOSFET高频噪声的机理并验证了所建噪声相关模型的实用性和准确性。

关键词：短沟道 MOSFET 过剩噪声高频噪声模型二端口噪声网络噪声去嵌

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雪崩光电二极管的性能测试与仿真优化设计

雪崩光电二极管的性能测试与仿真优化设计

作者：李媛华中科技大学

学位级别：硕士

雪崩光电二极管(APD)作为光探测器是光通信系统中的关键器件,与传统的PIN探测器相比,具有内部增益的APD可提供更高的灵敏度,因而一直受到广泛的关注。随着材料生长技术和半导体工艺的不断发展,为了调控优化器件内部电场分布从而优化器... 详细信息

雪崩光电二极管(APD)作为光探测器是光通信系统中的关键器件,与传统的PIN探测器相比,具有内部增益的APD可提供更高的灵敏度,因而一直受到广泛的关注。随着材料生长技术和半导体工艺的不断发展,为了调控优化器件内部电场分布从而优化器件性能,APD的结构也经历了许多变化,其中具有分立吸收层、渐变层、电荷层和倍增层(SAGCM)结构的APD在增益带宽积和过剩噪声性能方面具有明显优势。SAGCM InGaAs/InP APD是现代光通信系统中接收模块中的重要器件,具有内部增益和高灵敏度的良好特性,而器件的性能受结构参数的影响较大。暗电流和过剩噪声是制约APD性能的重要参数,要想提高APD的性能就必须优化器件设计以降低器件的暗电流和噪声,提高信噪比。本文主要采用实验与理论仿真相结合的方法,研究分析了SAGCM InP/InGaAs APD的结构参数对其性能的影响,并提出了降低暗电流和过剩噪声的优化设计。具体内容包括:(1)对APD的基本性能参数进行了测试与分析,包括I-V特性、噪声特性、带宽特性。首先测试了器件的I-V特性,并由此获得器件的增益特性,以及特征电压参数,并进一步测试分析了入射光强度和波长对器件光响应性能的影响。然后测试分析了器件的噪声特性,采用噪声分析仪测量。与已经报道的测试方法相比,本文额外考虑了激光器引入的相对强度噪声的影响。另外,还测试了器件在不同增益条件下的带宽性能,并分析了各增益条件下带宽的限制因素。(2)基于器件仿真器Silvaco,建立了SAGCM InGaAs/InP APD的仿真模型,得到的I-V特性曲线与测试结果拟合良好。根据仿真结果,提取得到了暗电流成分随偏压变化的特性,在已有的工作基础上,本文进一步研究了APD的结构参数对器件特征电压、暗电流及其成分的影响。通过分析仿真结果,得到了不同倍增层厚度对应的最佳电荷层电荷密度的范围。(3)提出了一种基于III-V族材料的三电极APD结构,引入横、纵两个方向的电场,理论上可以获得高增益低噪声的特性,结构设计完成后,并通过仿真计算对该新结构进行了分析与论证。

关键词：雪崩光电二极管器件仿真优化设计暗电流过剩噪声

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雪崩光电二极管特性参数的简化蒙特卡洛计算

雪崩光电二极管特性参数的简化蒙特卡洛计算

作者：曾宇华中科技大学

学位级别：硕士

随着器件的尺寸的越来越小,一些传统的半导体器件的模拟方法都存在不可避免的局限性。在小尺寸领域,蒙特卡洛方法作为一种可靠的模拟方法在为微观方面得到了广泛的应用。随着互联网的高速发展,网络上需要承载的数据越来越多,这对光通信... 详细信息

随着器件的尺寸的越来越小,一些传统的半导体器件的模拟方法都存在不可避免的局限性。在小尺寸领域,蒙特卡洛方法作为一种可靠的模拟方法在为微观方面得到了广泛的应用。随着互联网的高速发展,网络上需要承载的数据越来越多,这对光通信网络的带宽提出了更高的要求,而光电二极管作为光接收的核心部件,因此对它的性能要求也越来越高,传统的p-i-n光电二极管已经无法满足光通信系统对带宽的要求。雪崩光电二极管因为其高灵敏度和高操作速度越来越适用于光纤通信系统,而且能够提供更高的灵敏度和信噪比。鉴于这些好处,雪崩光电二极管也广泛的应用于其他领域,比如光子计数器、成像应用和激光测距等。越来越多的研究人员开始关注对雪崩光电二级管的特性的研究。本文在对雪崩光电二极管的各种模型比较中,建立了一种简化的雪崩光电二极管蒙特卡洛计算模型,并且编写出算法程序,在软件lcc上运行算法程序,对InP APDs和InAlAs APDs的过剩噪声和雪崩增益进行了模拟计算,分析得出:对这两种材料来说,雪崩区域宽度的减小都会导致过剩噪声的降低,InP雪崩光电二极管可以选择空穴注入来产生倍增,InAlAs雪崩光电二极管可以选择电子注入来产生倍增,这样就可以得到较低的过剩噪声,同时分析指出在薄层器件中,死区效应是无法忽略的。最后运行算法程序,对四种增益材料的雪崩光电二极管的信噪比进行了计算,得出它们的最佳工作点,可以用来指导光接收机的设计。

关键词：蒙特卡洛雪崩光电二极管最佳工作点过剩噪声雪崩增益

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纳米MOSFET散粒噪声抑制及其应用

纳米MOSFET散粒噪声抑制及其应用

作者：唐冬和西安电子科技大学

学位级别：硕士

随着MOS器件尺寸的缩小,其过剩噪声日益增加,且过剩噪声主要成分逐渐从热噪声转变为散粒噪声。基于纳米MOSFET输运机制的改变以及热噪声和散粒噪声的物理起源,本文在纳米MOSFET准弹道输运电流模型的基础上,推导了其过剩噪声主要成分转... 详细信息

随着MOS器件尺寸的缩小,其过剩噪声日益增加,且过剩噪声主要成分逐渐从热噪声转变为散粒噪声。基于纳米MOSFET输运机制的改变以及热噪声和散粒噪声的物理起源,本文在纳米MOSFET准弹道输运电流模型的基础上,推导了其过剩噪声主要成分转变的条件,由该转变条件能准确预测纳米MOSFET的噪声特性。为了定量描述纳米MOSFET电流噪声,本文推导了纳米器件电流噪声的散射理论统一模型,该模型适用于器件从相干输运到非相干输运的整个输运范围,并同时考虑了泡利不相容原理和库仑作用对散粒噪声的抑制。因此,本文模型可用于描述实际纳米MOSFET的散粒噪声抑制特性。在上述工作的基础上,本文对纳米MOSFET散粒噪声特性进行了Monte Carlo模拟研究,得到了散粒噪声抑制因子与偏置电压、工作温度以及源漏掺杂浓度之间的关系。

关键词：纳米MOSFET 过剩噪声散粒噪声抑制 Monte Carlo模拟