单芯片集成用紫外增强光电探测器的模拟与实现

摘要

目前的紫外探测器主要基于SiC、GaN、AlGaN等宽禁带半导体材料制作而成，具有价格贵、体积庞大等缺点；其次，由于它们无法与后续的信号读出与处理电路进行单芯片集成，使得整个紫外探测系统至少需要三块芯片组合才能实现，造成了系统庞大复杂，功耗高的缺点。传统的硅基紫外光电二极管虽然可以实现将感光器件和CMOS电路进行单芯片集成，但响应度和量子效率普遍较低。本文从解决硅基紫外光电二极管响应度和量子效率低的角度出发，结合MOSFET高动态范围、低噪声等优点及光电二极管指数型大电流优点，利用PN结的载流子注入特点，克服MOSFET器件单一载流子导电而电流密度小的缺点，研究一种单芯片集成用硅基复合型紫外增强型光电探测器。
　　本文设计的紫外增强型光电探测器包含MOS场效应晶体管和光电二极管两部分，MOS晶体管的衬体悬浮，光电二极管通过横向PN结实现。在适当的偏置电压下，MOS管导电沟道形成。没有光照时，检测出一次MOS管的漏极电流。有光照时，横向PN结利用内建电场将光生载流子注入MOS管的衬体内，改变衬底电势，引起MOS管阈值电压变小。在外加偏置电压不变的情况下，MOS管阈值电压的减小将增大晶体管的漏极输出电流，此时第二次检测出漏极电流，将两次得到的漏极电流做差，就得到了器件的光响应电流。
　　本文首先利用Silvaco TCAD工艺与器件仿真工具对新器件的栅极宽度、条纹状栅极结构进行了较深入的讨论，目的是为了研究MOS管栅极宽度对导电沟道下的耗尽层势阱收集光生载流子能力的影响，以及模拟条纹状栅极结构对紫外（短波）的吸收情况，判断二者对器件性能的影响，指导流片器件结构的确定。其次，对确定流片的器件结构做了进一步的电学特性和光学特性方面的模拟和分析，包括衬体电势、转移特性、输出特性、光谱响应以及直流特性等。
　　仿真结果表明所设计的新器件对紫外（短波）比近红外波（长波）具有更大的光响应电流。对微弱光信号表现出更加惊人的直流响应度。该紫外增强光电探测器在紫外光探测及微弱光检测方面存在很高的应用价值。最后，通过标准0.5μmCMOS工艺对新器件进行了版图设计和流片实现。

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第1章 绪论

1.1 论文课题背景与选题依据

1.2 紫外探测技术的研究背景及问题

1.3 紫外光电探测器的国内外研究进展

1.4 论文研究的意义与目的

1.5 论文主要研究内容与章节安排

1.6 论文的创新点

第2章 基本理论与背景知识

2.1 大规模集成CMOS工艺

2.2 半导体光电探测器基础

2.3 紫外探测器的参数指标

2.4 本章小结

第3章 紫外增强型光电探测器的结构

3.1 器件结构

3.2 工作原理

3.3 本章小结

第4章 MOSFET多晶硅栅宽度及叉指形状的讨论

4.1 Silvaco Atlas器件模拟工具

4.2 MOSFET多晶硅栅宽度的讨论

4.3 MOSFET叉指状多晶硅栅的讨论

4.4 本章小结

第5章 紫外增强型光电探测器的模拟与实现

5.1 器件的光产生率及载流子浓度分析

5.2 器件的衬体电势模拟与分析

5.3 器件的阈值电压模拟与分析

5.4 器件的输出特性模拟与分析

5.5 器件的光谱响应模拟与分析

5.6 器件的直流特性模拟与分析

5.7 基于0.5μm CMOS工艺的版图设计

5.8 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 工作总结

6.2 不足与展望

参考文献

致谢

附录A 仿真程序（部分）

附录B 个人简历

附录C 硕士期间学术成果列表