GeSn红外光探测器性能参数模拟研究_王晓利.pdf

宝鸡文理学院学报（自然科学版），第 卷，第期，第 页，年 月 （），：红外光探测器性能参数模拟研究王晓利，李婉，舒斌，胡辉勇（宝鸡文理学院 电子电气工程学院，陕西 宝鸡 ；西安电子科技大学 微电子学院，陕西 西安 ）摘要：目的研究通过调整 组分提高 红外探测器的性能，为其进一步发展和实现在光纤通信中的应用提供科学依据和设计思路。方法基于 合金设计并优化了光探测器，以期获得高的响应度和宽的响应波段。经过 软件仿真，建立了 基波导型光探测器的初始模型，通过控制变量不断改变特征参数来优化器件，引入应变对材料进行能带改性。结果与结论通过改变 合金中 的组分，红外光探测器的最大截止波长可达到 ，同时理清了材料中的应变对探测器响应度、响应范围等性能的作用机制，获得了高响应度和响应范围的 光电探测器件。关键词：光电探测器；合金；光响应度；带宽中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，；，）：，：；光电探测器是一类可以实现光信号向电信号转化的器件，在光纤通信系统中起到了眼睛的作用，响应截止波长大于 的红外光电探测器在红外热成像、光度计量和红外遥感等方面发挥着重要的作用，用途十分广泛。近年来，国内外研究采用不同的结构和调节 组分实现截止波长大于 的红外波段 光电探测器，并采用磁控溅射（）、外延生长、合金等技术用来提高探测器响应度。光电探测器工作原理 合金的能带结构用 元素代替 晶胞中的部分 元素，收稿日期：，修回日期：基金项目：宝鸡市科技局工业攻关项目（）作者简介：王晓利（），女，河南舞阳人，副教授，硕士，研究方向：信号与信息处理 ：形成 合金，可以实现 改性，同时改变 的组分就可以连续调节 合金的禁带宽度。如图所示为 和 合金的能带结构示意图，在 合金中，当 组分不断加大时，能谷和能谷都会下降，但能谷的下降速度更快，即 组分增加到一定程度时，导带的最底端位于能谷，导带底与价带顶处于同一空间，合金由间接带隙材料转变为直接带隙材料。图（）材料和（）合金的能带结构图 （）（）合金的折射率折射率是影响探测器光响应度的因素之一。半导体折射率表达式为：（）其中，为半导体折射率，为入射光波长，和为 光学常系数。对于 材料，.，.，.，.，.，而 基探测器探测到的入射光一般为几微米，其平方远小于值，对于这种 基探测器可以忽略掉表达式的第项。当 合金中 组分不超过 时，假设其与半导体 材料有着类似的光学性质，故只保留表达式的前项。图为 组分不同的 合金在不同波长光照下的折射率图谱，观测单一曲线，随着入射光波长的增加，折射率先增大后减小，每条曲线的峰值与 合金禁带宽度有关，合金中的 组分增加，材料的禁带宽度减小，折射率最大值所对应的入射光波长增加。在入射光波长超过 时，合金中 组分越高，折射率越大，即器件的带隙越小，折射率越大。合金的载流子迁移率载流子迁移率是影响探测器响应速度的关键因素。载流子的运动规律遵循欧姆定律，可得出载流子迁移率。图 组分不同的 合金在不同波长光照下的折射率图谱 电流密度为单位时间内通过单位面积的电量，表达式为：（）其中，为电荷密度，为单个电荷的电量，为平均漂移速度。给 光电探测器施加反向电压时，电子和空穴会在探测器中漂移。平均漂移速度与场强（）成正比关系，单位场强下的平均漂移速度为载流子迁移率，表达式为：（）其中，为单位载流子的电荷量，和分别为载流子的平均自由时间和有效质量。载流子包含电子和空穴，其迁移率又细分为电子迁移率和空穴迁移率，表达式为：，（）其中，和分别为电子和空穴的平均自由时间，和 分别代表电子在导带中的有效质量和空穴在价带中的有效质量。由（）式可知载流子迁移率与平均自由时间为正比关系，与载流子有效质量为反比关系，提高载流子迁移率可以提高探测器的运行速度。光电探测器的特性及性能参数光电探测器可用来探测光能并将其转化为电压或者电流。实践证明，光电探测器抗干扰能力强、灵敏度高、运行速度快，对应这个特性的性能指标分别为暗电流、光响应度和响应速度。特性为了更好地分析光电探测器特性中的暗电流和光电流，需在暗室情况下和照明情况下宝鸡文理学院学报（自然科学版）年结合光电探测的特性曲线（图）进行研究。如（）式建立的模型，用同一方程表示在暗室情况下和照明情况下二极管的特性：（）（）其中，为反向饱和电流，表示施加在器件两端的电压，表示绝对温度，表示玻尔兹曼常数，表示当入射光波长为时器件产生的光电流大小。有入射光时，默认入射光会在半导体器件中产生光电流，外部电路亦可检测到。无入射光时，光电流项 为零，即暗室情况下，对器件输出的光电流没有任何作用，这时的曲线就是一般 结构的曲线。在有光照时，器件中的光电流项。再给两端加入反向电压，二极管处于光电探测器工作区域。图在暗室情况下和照明情况下的理想二极管特性曲线 光电探测器的暗电流越小，表示其噪声越小，相应性能越好。光电探测器的暗电流较大，当暗电流的数量级大于或等于光电流数量级时，由于暗电流的随机性，会影响外部电路对光电流的判别准确性。量子效率与光响应度量子效率（）为能转换为光电流的光载流子数与入射总光子数之比，代表了光信号转换为电信号的一种能力，表达式为：（）其中，为输出光电流，为入射光功率，为普朗克常量，为光子的频率。光响应度（）定义为光电探测器的输出电流与入射到器件的光功率之比，是光电探测器最重要的性能指标之一，可体现器件的宏观灵敏度，表达式为：（）把（）式代入（）式，可进一步表示为：.（）（）即在确定的波长下，光响应度与量子效率成正比。响应带宽响应带宽是光电探测器的输出从零频下降到 时所对应光的频率范围，是光电探测器的重要性能指标之一。其响应时间和光开关频率之间存在着联系。把光信号的频域值和时域值经傅里叶变换联系起来后，即光电流下降到零频处的.倍时，其响应带宽表达式为：（）其中，为载流子的渡越时间。由（）式可知，响应带宽越大，响应时间越短，响应速度越快。（）光电探测器的时间常数 如图所示，把光电探测器等效为含有电流源、电阻和电容的电路，为探测器的串联电阻，为负载电阻，为结电容。可表示为：（）其中，为吸收区材料的介电常数，为吸收区面积，为吸收区厚度。结电容与吸收区面积成正比，与吸收区厚度成反比。影响探测器响应时间的参数主要为负载电阻和结电容，即时间常数 。图光电探测器的等效电路 （）电子与空穴在空间电荷区的渡越时间光吸收区吸收光子产生电子空穴对，电子在场强作用下漂移到正电极形成电子流，空穴在场强作用下漂移到负电极形成空穴流，电流由这股漂移流所形成。电子与空穴的漂移速度主要受电场强度影响。在弱电场强度下，场强增加，电子和空穴的漂移速度随之增加；在强电场强度下，电子和空穴的漂移速度将趋向平缓且稍有下降。若想电子与空穴用最短时间漂移过空间电荷区，就要给光电探测器施加合适的反向偏压。光电探测器响应时间主要考虑空穴的漂移速度。（）电子与空穴在中性区的扩散时间电子和空穴在光吸收区产生后，一部分被复第期王晓利 等 红外光探测器性能参数模拟研究合抵消，余下的电荷会扩散到耗尽区，然后形成光电流。这部分电荷由于扩散运动较慢，从而带来了附加延迟，会造成输出信号下降沿的拖尾增加，导致光电探测器的响应时间明显增大。故减小中性区厚度或者提高空穴的迁移率，可减小载流子的渡越时间，进而提高探测器的响应速度。合金中 组分对器件性能的影响图为 波导型光探测器的器件结构图，其中区和区掺杂浓度均为 ，波导长度为，区、区和区厚度为，区和区材料为 ，区材料为 合金。当波导 型 光 探 测 器 吸 收 区 材 料 分 别 为 和 合金时，仿真出暗电流对比图谱（图）。在反偏电压为 时，吸收区材料为 的波导型探测器暗电流为 ，其暗电流密度为 ；吸收区材料为 合金的波导型探测器暗电流为 ，其暗电流密度为 ，和 探测器相比，探测器的暗电流有一定增加，这是因为 组分为 的 合金禁带宽度为 ，且为直接带隙材料，而 材料的禁带宽度为 ，且为间接带隙材料，即禁带宽度越小，暗电流越大。图 波导型光探测器的三维模型 图吸收区材料不同的 波导型光探测器的暗电流曲线 在反向偏压为，光入射区为本征区域，入射光单位功率为 ，波导长度为，区、区和区厚度为 时，改变本征层区材料分别为 组分为，和 的 合金，仿真光响应度图谱如图所示。图不同 组分下的 光探测器的光响应度曲线 表为不同 组分的 光探测器的特征参数，器件吸收区为纯锗材料时，峰值在 处，光响应度为 ，通信窗口 处的光响应度为 ，且截止波长可达。当 组分为时，峰值处在 处，光响应度可达 ，通信窗口 处的光响应度为 ，且截止波长可达。当 组分为 时，峰值处在 处，光响应度可达 ，通信窗口 处的光响应度为 ，且截止波长可达 。由表可知，随着 合金中 组分的增加，光响应度增加，峰值发生红移且截止波长增大。随着 组分的增加，材料带隙减小，且逐渐变为直接带隙材料，禁带宽度越小，电子跃迁所需要的最小光子能量值越小，在入射光功率不变的情况下，所能吸收的光子数量越多，导致响应度增加，而随着入射光波长的增加，光子能量减小，由于 合金禁带宽度变窄，使电子发生跃迁的所需光子能量减少，即可探测到的光波长增加，因此截止波长增加。图为 和 光探测器的 带宽图谱，其中在反向偏压为，光入射区为本征区域，入射光单位功率为 ，入射光波长为 ，波导长度为，合金中，组分为和 时，种探测器的带宽吻合，带宽均为 ，这表明随着 组分的增加电子迁移率随之增加，但是空穴的迁移率下降，效果中和后带宽未改变，即 组分的改变并未影宝鸡文理学院学报（自然科学版）年响器件的响应速度。表不同 组分的 光电探测器的特征参数 合金参数对比光响应度对应峰值 对应通信窗口截止波长电子迁移率 空穴迁移率 组分为 组分为 组分为 图不同 组分下的 光探测器的 带宽曲线 结论本文基于 软件仿真研究了 红外光探测器的性能，研究表明，通过改变 合金中 的组分，红外光探测器的最大截止波长可达到 ，这一结果有望满足高光响应度、高响应速度与宽波段的器件性能要求。实际器件是否能达到与仿真一致的结果，还需进一步实验验证。与此同时，本文也研究了基于 这一新型材料的 带宽，相关内容在之前的研究中很少涉及。本文结果可为 红外光探测器的进一步发展和应用提供科学依据和设计思路指导。参考文献：，：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：常月欣高性能光电探测器的研究与设计南京：南京邮电大学，刘道群，李志华，冯俊波，等高性能波导集成型锗 光电探测器的制备微纳电子技术，（）：刘智，成步文硅基锗 光电探测器的研究进展半导体光电，（）：，（）：，（）（），（）：，：（编校：李宗红）第期王晓利 等 红外光探测器性能参数模拟研究