【摘 要】
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Ⅲ-Ⅴ族雪崩光电二极管（APDs）,具有较高的增益和灵敏度,是短波红外领域重要的光电探测器之一,在长距离光纤通信、生物医学成像、激光雷达、单光子探测等方向具有广泛应用。研究发现,锑化物APD,特别是AlxIn1-xAsySb1-y数字合金锑化物APD,具有与Si相当甚至更低的k值以及更大的工作波长调控灵活性,能够实现更宽红外波段的探测和更好的性能,因此锑化物APD成为近期的研究热点。本文采用理论结
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Ⅲ-Ⅴ族雪崩光电二极管（APDs）,具有较高的增益和灵敏度,是短波红外领域重要的光电探测器之一,在长距离光纤通信、生物医学成像、激光雷达、单光子探测等方向具有广泛应用。研究发现,锑化物APD,特别是AlxIn1-xAsySb1-y数字合金锑化物APD,具有与Si相当甚至更低的k值以及更大的工作波长调控灵活性,能够实现更宽红外波段的探测和更好的性能,因此锑化物APD成为近期的研究热点。本文采用理论结合实验的方法,对锑化镓（GaSb）基AlxIn1-xAsySb1-y分离吸收渐变电荷倍增（SAGCM）结构APD进行了研究。论文采用Crosslight软件APSYS模块对2μm波段AlxIn1-xAsySb1-ySAGCM APD进行了结构和能带模拟。采用不同A1组分的AlxIn1-xAsySb1-y材料作为吸收层和倍增层,对吸收层、电荷层、渐变层、倍增层等结构参数的影响进行了模拟分析。计算了温度和AlxIn1-xAsySb1-y材料隧穿效应对APD性能的影响。研究发现电荷层的厚度和掺杂浓度对APD性能影响很大,随着电荷层厚度和掺杂浓度的增加,穿通电压和击穿电压之间更加接近,倍增层和吸收层之间的电场差距越来越大;厚电荷层条件下,掺杂浓度的变化对电场改变量越大;吸收层的厚度的增加会降低吸收层和倍增层的电场;倍增层厚度增加,可以增加倍增层和吸收层的电场,提高器件的击穿电压和穿通电压;渐变层的掺杂浓度和厚度越大同样可以降低吸收层的电场,使穿通电压和击穿电压更加接近。对比了不同温度下2 μm AlxIn1-xAsySb1-y APD的Ⅰ-Ⅴ特性,发现温度越低,击穿电压越小。AlxIn1-xAsySb1-yAPD的温度稳定性优于其它Ⅲ-Ⅴ族APD。计算了不同Al组分下AlxIn1-xAsySbi-y的带间隧穿几率和隧穿电流,分析了其对器件性能的影响,计算了隧穿效应对Al0.7In0.3AsySb1-y倍增层的电场影响,发现隧穿效应最终会影响器件的增益特性。根据理论计算结果,设计了可在2 μm短波红外波段工作的锑化物SAGCM APD的结构参数。采用 MBE 设备,在 GaSb 衬底上外延 2 μm SAGCM AlxIn1-xAsySbi-y数字合金APD材料结构。通过半导体光刻和钝化等工艺,制备了 2μm响应的锑化物APD。对不同直径的APD进行测试分析,发现同一偏压下器件的尺寸越大器件的暗电流越大,与文献相比,暗电流高出一个量级,主要原因可能是尺寸大导致表面漏电流,因此未来需要在材料生长和钝化上进一步优化,以提高器件的增益并减小暗电流。
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