基于黑硅/多孔硅PIN光电探测器的仿真研究

摘要

由于硅材料本身的限制，使得硅光电探测器在民用上难以作为1.3μm和1.55μm的光接收器件，军用上更不可能作为红外制导和激光告警等的核心部件。因而，需要研制具有较高响应度和宽光谱探测范围的新型硅光电探测器。本文充分发挥黑硅和多孔硅材料的表面微结构特征和元素掺杂改性作用，在理论计算与结构设计的基础上，利用仿真软件Silvaco TCAD对基于黑硅/多孔硅的新型PIN光电探测器进行了仿真研究，考查了光谱响应、量子效率、响应度、I-V特性、暗电流和响应时间等特性，最终将仿真优化结果用于指导器件的实际加工。
　　本研究主要内容包括：⑴基于多孔硅（无杂质能级）PIN光电探测器的仿真结果表明：正照式光电探测器在峰值0.9μm处的量子效率和响应度分别为93.19％和0.67 A/W，与普通硅PIN光电探测器相比，分别提高了31.32%和0.22 A/W；在1.05μm处的量子效率和响应度分别为13.27%和0.09 A/W，与普通硅PIN光电探测器相比保持不变；正照式光电探测的暗电流和响应时间分别为1.5×10-12 A和2×10-6 s，与普通硅PIN光电探测器相比量级保持不变；背照式光电探测器在峰值0.95μm处的量子效率和响应度分别为64.87%和0.49 A/W，在1.05μm处的量子效率和响应度分别为13.09%和0.11 A/W，暗电流和响应时间分别为6.5×10-6A和8×10-6s，与普通硅PIN光电探测器相比量级保持不变。⑵基于黑硅（有杂质能级）PIN光电探测器仿真结果表明：正照式光电探测器在峰值0.9μm处的量子效率和响应度分别为94.39%和0.69A/W，与普通硅PIN光电探测器相比，分别提高了32.52%和0.24A/W，增长幅度达到53.33%；在1.05μm处的量子效率和响应度分别为33.35%和0.28A/W，分别提高了21.73%和0.17A/W，增长幅度达到170%；正照式光电探测的暗电流和响应时间分别为1.0×10-11A和1.2×10-6s，与普通硅PIN光电探测器相比量级保持不变。⑶基于黑硅/多孔硅PIN光电探测器确实能在保持暗电流与响应时间无大范围变化的情况下，较大幅度地增加探测器的量子效率和响应度，且能适度延展探测器的光谱响应范围。

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第一章 绪 论

1.1 引 言

1.2 “黑硅”和“多孔硅”简介

1.3 国内外研究现状

1.4 研究内容和技术路线

第二章 PIN光电探测器简介及器件结构设计

2.1 PIN光电探测器的基本原理

2.2 PIN光电探测器的性能参数

2.3 器件结构设计

2.4 本章小结

第三章 硅PIN光电探测器的仿真研究

3.1Silvaco TCAD软件介绍

3.2 模型建立及参数设置

3.3 正照式探测器结构及光电特性仿真

3.4 背照式探测器结构及光电特性仿真

3.5 本章小结

第四章 基于黑硅/多孔硅PIN光电探测器的仿真研究

4.1 无杂质能级探测器仿真

4.2 有杂质能级探测器仿真

4.3 讨论

4.4 本章小结

第五章 结论与展望

5.1 结 论

5.2 展 望

致谢

参考文献

攻硕期间取得的研究成果