InGaAs探测器的光电性能仿真与结构优化研究

2023年12月13日发(作者：租赁合同协议书)

-

InGaAs探测器的光电性能仿真与结构优化研究

短波红外In GaAs探测器在近室温下具有良好的性能,在航天遥感领域有着重要的应用价值。为进一步提升短波红外InGaAs探测器的性能,本论文重点研究了InAlAs帽层的晶格匹配和延伸波长探测器的关键结构参数对暗电流的影响,并进行了实验验证,研究了器件暗电流机制;仿真了吸收层内含有电子阻挡层器件的暗电流特性,与无电子阻挡层结构器件特性进行对比分析,并对电子阻挡层的位置和周期进行了仿真优化,获得了抑制暗电流的优化结构参数。

概述了建立仿真建模的过程,包括模块的选择、结构定义、物理模型设定、数值方法选择、器件特性获取以及结果分析等。另外,还有实时输出窗口可以用来直接查看结果并调试模型的参数等,概述了Atlas软件仿真的基本流程。

采用Atlas器件仿真软件,研究了与InP衬底晶格匹配的InAlAs帽层器件的暗电流机制,分析了吸收层厚度和掺杂浓度对器件暗电流的影响。研究发现,吸收层厚度在0.25μm以内时,暗电流会随着厚度增大而减小,进一步增大厚度时,暗电流的变化较小;吸收层浓度增大,暗电流会减小,但是浓度增大到一定程度将会影响到光的吸收效率。

通过实验验证,分析器件的暗电流机制,发现室温下器件的暗电流主要由扩散电流主导。采用标准替代的方法,研究了光栅光谱仪和傅里叶光谱仪校准器件的响应光谱,结果表明,利用已知的标准器件及其标准光谱,两者都可以用来校准待测器件的响应光谱。

傅里叶光谱仪由于具有便携操作性,信号较强,稳定性高等优点,一般得到的结果相对优于光栅光谱仪。采用Atlas器件仿真软件研究了InAlAs帽层延伸波长器件的暗电流机制,分析了吸收层厚度和掺杂浓度对器件暗电流的影响,同时研制了基于界面数字超晶格结构的In GaAs探测器,并测试了器件的暗电流和响应光谱。

器件响应光谱与仿真拟合结果基本一致。在暗电流特性方面,在-0.01V下,300K和200K时的暗电流大小为6.47×10-9A和1.05×10-12A。

并分析了暗电流温度特性,获得了激活能,220K-300K拟合的激活能为Ea=0.38eV,表明近室温下暗电流电流以扩散和产生复合为主,理论仿真结果一致。在吸收层内插入电子阻挡层是抑制器件暗电流的一种方法,它改变了载流子的传输,且能够减小晶格失配带来的应力并降低缺陷密度。

本论文研制了含电子阻挡层的器件D2,测试其在室温和低温下的暗电流,并与无电子阻挡层器件D1的电流特性进行了对比。结果表明,D2器件暗电流小于D1器件,在偏压-0.01V,室温下D1和D2测试的的暗电流的特征值是8.27×10-4A/cm2和3.25×10-4A/cm2,与仿真结果基本一致;温度降低时,D1和D2器件暗电流均下降,且下降幅度基本一致;这是因为电子阻挡层在导带中形成势垒,阻碍电子传输,而在价带中几乎没有势垒的影响,所以其作用是延长了少子的寿命,抑制了复合电流。

基于以上研究,本论文采用仿真方法对器件的结构进行了优化,分析了超晶格电子阻挡层的位置和周期变化时对暗电流的影响,发现电子势垒位置接近吸收层中间且周期厚度为15nm时,可以获得较小的暗电流。

-