基于硅基雪崩光電二極管中雙光子吸收特性的紅外光子探測研究
發(fā)布時間：2021-08-31 06:28
硅基雪崩光電二極管（Si-APD）作為性能卓越,工藝成熟的半導體器件應用十分廣泛。但受禁帶寬度的限制,工作波長是局限在可見光波段,限制了其在紅外光子探測領域的發(fā)展。然而,由于非線性光學的研究發(fā)展迅速,非線性光學效應被用來擴大Si-APD的工作波長范圍并提高其在紅外波段的探測效率。其中雙光子吸收效應與頻率上轉換探測機制相比較,不需要特制的非線性晶體和復雜的光路系統(tǒng),也不需要嚴苛的相位匹配條件和工作環(huán)境,所以利用Si-APD的雙光子吸收效應實現(xiàn)紅外光探測時可以有較寬的工作波長范圍。因此雙光子吸收效應在Si-APD探測微弱紅外光的實現(xiàn)上具有很廣闊的研究前景。雙光子吸收是指介質中的載流子同時吸收兩個光子后向更高能級躍遷的過程。在該過程中,由于強光場的作用,載流子幾乎同時吸收兩個光子,并且兩個光子的能量之和要等于或大于介質的禁帶寬度,使得介質中的載流子能夠通過“虛態(tài)”,從價帶順利躍遷到導帶,并通過載流子的運動產生光電流,之后光電流通過雪崩效應進行倍增,從而使得Si-APD成功實現(xiàn)對紅外光子的探測。Si-APD中的雙光子吸收效應研究也為寬帶紅外光子探測在光學取樣、光梳激光測距、紅外生物圖像等不同應...
【文章來源】：華東師范大學上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數】：53 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
圖１－１擴散保護環(huán)結構雪崩光電二極管示意圖??Ｓｉ－ＡＰＤ可以被看作是反向偏置的ＰＮ結，以常見的擴散保護環(huán)結構為例，如??圖１－１所錄
?華東師范大學碩士學位論文???時間逐漸消失，其碰撞電離仍將持續(xù)，直到耗盡層沒有載＆子為止。源源不斷的??雪崩電流匯集起來，形成了可供檢測的光電流。??Ｎ?？?Ｐ??＋?－??〇?＜－？??ａ?ｂ?ｃ??圖１－２雪崩效應中電子空穴對碰撞過程??１．２．２霪要參數??雪崩光電二極管在篕革模式下有一些重要的性能指標：著崩電壓＞?探測效率，??光譜響應范＿，暗計數等ｓ??Ｌ雪崩電壓??雪崩光電二極管在一個電壓值下工作時，二極營內部載流子會引發(fā)雪崩倍增??過程，這個電壓值被稱為雪崩電壓［２９］。在倍增過程中，倩號經過一個放人過程，??該過程可以用倍增因子來描述。理論上彎崩倍增過程中，倍增因子的值是無窮大??的。器件材料不同，結構不同，以及器件工作時的溫度不同，都會導致霄崩電壓??不同。一般來講，器件材料及結構確定后，ｄ極管工作時的溫度越高，霄崩電壓??值越＿?６．??２．探測效率??雪崩光電二極管的光電信號的轉換效率由探測效率來表征。??探測效率表示為二極管吸收入射光子后，生成的電子Ｓ穴對數量與吸收光子??數量的比值［３叱即探測效率表不為：??產生電乎生穴對數目ＩＪｑ??ｎ￣?入射光子數肖?ｋ?■??／?ｆｉｃｏ??其中／Ｐ為二極管產生的光電流，Ｐｉｎ為入射二極管的光功率，ｇ為二極管內部的??電子電荷，為二極管吸收光子的能量。??探測效率會受到入射光的波長，入射光子與探測器件耦合，器件工作電壓，??５??
?華東師范大學碩士學位論文???ＳｉＣ?（碳化硅），ＧａＮ?（氮化鎵）材料的二極管。不同材料的二極管對應的工作??波段如圖１－３所示［３６］。??１?Ｇｅ?１??｜?Ｓｉ?＂｜??［ＧａＮ］??ｉ?ｉ?ｉ?ｉ?ｉ?ｉ?ｉ?ｉ?ｉ?ｉ?ｉ?ｉ?ｉ?ｉ?ｉ?ｉ?ｉ?ｉ??０?０．２?０．４?０．６?０．８?１．０?１．２?１．４?１．６?１．８?ｐｍ??圖１－３不同材料的霄：崩光電二極晉工作波長示意圖??１．碳化硅；氮化鎵雪崩光電二極管??目前，紫外波段光在醫(yī)療和國防領域已經有了很多應用，傳統(tǒng)上＃紫外光的??檢測是通過光電倍增管來實現(xiàn)的，因為其暗電流低，且響應速度快，但是光電倍??增管工作時需要加載很高的電壓，且器件的體積大，這些問題制約了它們的發(fā)展。??所以人們Ｂ經在嘗試用氮化鎵，碳化硅材料的雪崩光電二極管來進行紫外光的檢??測，兩者禁帶寬度都為３．３?ｅＶ左右氮化鎵二極管的研宄已經：有了一些成果，??其有較高的擊穿電壓，有的高達１０?Ｖ，有較好的熱穩(wěn)定型，并且電子漂移飽和速??率裔務熱導率贏，但材料制造工藝還不成熟，器件成品率低，壽命短，要想實現(xiàn)??大規(guī)模應用還有很多障礙需要克服［３８４（）］。另外，碳化硅雪崩光電二極管發(fā)展要好??一些，它的空穴電離系數要遠大于電子的電離系數，這樣制造出的＿極管噪聲比??較低，并且材料工藝也較為成熟，是很有潛力的紫外光波段的單光予探測器。??２．桂，鍺雪崩光電二極管??最常見材料的雪崩光電二極管就是由ＩＶ族材料硅和鍺構成的，它們是半導體??器件中最為常用的材料。它們在很久以前就被深入研宄并被廣泛使用在半導體制??造領域。并麗貨為低廉的價格，成熟的ｉ藝莉穩(wěn)定性好的
【參考文獻】：
期刊論文
[1]光電效應的理論解釋[J]. 張秀喬. 物理通報. 1999(07)
[2]InGaAs/InGaAsP/InP SAGM—APD暗電流與光倍增因子的溫度特性[J]. 丁國慶. 光通信研究. 1990(04)
[3]高效快速的硅雪崩光電二極管[J]. 朱華海. 半導體光電. 1980(01)
碩士論文
[1]新型臺面結構硅基雪崩光電二極管的研究[D]. 崔文凱.北京工業(yè)大學 2014
本文編號：3374385
【文章來源】：華東師范大學上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數】：53 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
圖１－１擴散保護環(huán)結構雪崩光電二極管示意圖??Ｓｉ－ＡＰＤ可以被看作是反向偏置的ＰＮ結，以常見的擴散保護環(huán)結構為例，如??圖１－１所錄
?華東師范大學碩士學位論文???時間逐漸消失，其碰撞電離仍將持續(xù)，直到耗盡層沒有載＆子為止。源源不斷的??雪崩電流匯集起來，形成了可供檢測的光電流。??Ｎ?？?Ｐ??＋?－??〇?＜－？??ａ?ｂ?ｃ??圖１－２雪崩效應中電子空穴對碰撞過程??１．２．２霪要參數??雪崩光電二極管在篕革模式下有一些重要的性能指標：著崩電壓＞?探測效率，??光譜響應范＿，暗計數等ｓ??Ｌ雪崩電壓??雪崩光電二極管在一個電壓值下工作時，二極營內部載流子會引發(fā)雪崩倍增??過程，這個電壓值被稱為雪崩電壓［２９］。在倍增過程中，倩號經過一個放人過程，??該過程可以用倍增因子來描述。理論上彎崩倍增過程中，倍增因子的值是無窮大??的。器件材料不同，結構不同，以及器件工作時的溫度不同，都會導致霄崩電壓??不同。一般來講，器件材料及結構確定后，ｄ極管工作時的溫度越高，霄崩電壓??值越＿?６．??２．探測效率??雪崩光電二極管的光電信號的轉換效率由探測效率來表征。??探測效率表示為二極管吸收入射光子后，生成的電子Ｓ穴對數量與吸收光子??數量的比值［３叱即探測效率表不為：??產生電乎生穴對數目ＩＪｑ??ｎ￣?入射光子數肖?ｋ?■??／?ｆｉｃｏ??其中／Ｐ為二極管產生的光電流，Ｐｉｎ為入射二極管的光功率，ｇ為二極管內部的??電子電荷，為二極管吸收光子的能量。??探測效率會受到入射光的波長，入射光子與探測器件耦合，器件工作電壓，??５??
?華東師范大學碩士學位論文???ＳｉＣ?（碳化硅），ＧａＮ?（氮化鎵）材料的二極管。不同材料的二極管對應的工作??波段如圖１－３所示［３６］。??１?Ｇｅ?１??｜?Ｓｉ?＂｜??［ＧａＮ］??ｉ?ｉ?ｉ?ｉ?ｉ?ｉ?ｉ?ｉ?ｉ?ｉ?ｉ?ｉ?ｉ?ｉ?ｉ?ｉ?ｉ?ｉ??０?０．２?０．４?０．６?０．８?１．０?１．２?１．４?１．６?１．８?ｐｍ??圖１－３不同材料的霄：崩光電二極晉工作波長示意圖??１．碳化硅；氮化鎵雪崩光電二極管??目前，紫外波段光在醫(yī)療和國防領域已經有了很多應用，傳統(tǒng)上＃紫外光的??檢測是通過光電倍增管來實現(xiàn)的，因為其暗電流低，且響應速度快，但是光電倍??增管工作時需要加載很高的電壓，且器件的體積大，這些問題制約了它們的發(fā)展。??所以人們Ｂ經在嘗試用氮化鎵，碳化硅材料的雪崩光電二極管來進行紫外光的檢??測，兩者禁帶寬度都為３．３?ｅＶ左右氮化鎵二極管的研宄已經：有了一些成果，??其有較高的擊穿電壓，有的高達１０?Ｖ，有較好的熱穩(wěn)定型，并且電子漂移飽和速??率裔務熱導率贏，但材料制造工藝還不成熟，器件成品率低，壽命短，要想實現(xiàn)??大規(guī)模應用還有很多障礙需要克服［３８４（）］。另外，碳化硅雪崩光電二極管發(fā)展要好??一些，它的空穴電離系數要遠大于電子的電離系數，這樣制造出的＿極管噪聲比??較低，并且材料工藝也較為成熟，是很有潛力的紫外光波段的單光予探測器。??２．桂，鍺雪崩光電二極管??最常見材料的雪崩光電二極管就是由ＩＶ族材料硅和鍺構成的，它們是半導體??器件中最為常用的材料。它們在很久以前就被深入研宄并被廣泛使用在半導體制??造領域。并麗貨為低廉的價格，成熟的ｉ藝莉穩(wěn)定性好的
【參考文獻】：
期刊論文
[1]光電效應的理論解釋[J]. 張秀喬. 物理通報. 1999(07)
[2]InGaAs/InGaAsP/InP SAGM—APD暗電流與光倍增因子的溫度特性[J]. 丁國慶. 光通信研究. 1990(04)
[3]高效快速的硅雪崩光電二極管[J]. 朱華海. 半導體光電. 1980(01)
碩士論文
[1]新型臺面結構硅基雪崩光電二極管的研究[D]. 崔文凱.北京工業(yè)大學 2014
本文編號：3374385
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