SOI基透明电极栅控横向PIN蓝紫光探测器研究

批准号:
61404011
项目类别:
青年科学基金项目
资助金额:
23.0 万元
负责人:
谢海情
依托单位:
学科分类:
F0403.半导体光电子器件与集成
结题年份:
2017
批准年份:
2014
项目状态:
已结题
项目参与者:
刘斯、龚丽、肖正、温健、周斌腾
国基评审专家1V1指导 中标率高出同行96.8%
结合最新热点,提供专业选题建议
深度指导申报书撰写,确保创新可行
指导项目中标800+,快速提高中标率
微信扫码咨询
中文摘要
暗电流、量子效率与频率响应之间的矛盾、以及输入阻抗是制约光探测器性能和可集成性的主要因素。为提高蓝紫光探测器的性能和可集成性,我们提出SOI基LPIN PD-GTE(透明电极栅控横向PIN光电二极管)结构。在LPIN PD-GTE中,横向PIN结构和纵向MOS结构,以及透明电极的栅控作用,能有效地消除沟道长度限制,解决量子效率和频率响应之间的矛盾,降低暗电流,提高输入阻抗。通过模型构建和软件模拟,理论研究蓝紫光范围内LPIN PD-GTE的光电特性和频率响应,探索栅极电压和沟道长度对光电特性与频率响应的影响规律,得到蓝紫光探测性能最优化的栅极电压和沟道长度。根据理论研究结果,采用最优工艺参数制备ITO薄膜作为栅电极,试制LPIN PD-GTE,完成测试与优化,实现高灵敏度、大量子效率、快频率响应,且可光电集成的蓝紫光探测器,并建立其理论研究体系。
英文摘要
In photodetectors, performance and compatibility for integration are mainly constrained by dark current, the conflict between quantum efficiency and frequency response, and input impedance. In order to improve the performance and compatibility for integration of blue/violet photodetector, we proposed the lateral PIN photodiode gated by transparent electrode (LPIN PD-GTE) based on SOI film. Due to lateral PIN structure and vertical MOS structure, as well as gated effect of transparent electrode, LPIN PD-GTE can effectively eliminate the restriction of channel length, solve the conflict between quantum efficiency and frequency response, reduce dark current, and increase input impedance. Firstly, optoelectronic characteristics and frequency response in the blue-violet range of LPIN PD-GTE were studied by modeling and computational simulation. Secondly, the influences of gate voltage and channel length to optoelectronic characteristics and frequency response were researched to obtain the best gate voltage and channel length for detecting blue/violet light. Thirdly, according the theoretical results, adopting ITO film fabricated with the best process parameters as gate electrode, the sample of LPIN PD-GTE was fabricated. Subsequently, the test and optimization were also carried out. In the end, a novel blue-violet photodetector with high sensitivity, large quantum efficiency, fast frequency response and compatible for OEIC was achieved, and its theoretical research system was also established.
蓝紫光探测器在蓝光存储、医疗卫生、环境监测等领域应用广泛。随着CMOS工艺,特别是SOI CMOS工艺的发展,与CMOS工艺兼容的高性能、可光电集成的蓝紫光探测器成为目前的一个研究热点。本项目从提出SOI基LPIN PD-GTE(透明电极栅控横向PIN光电二极管)蓝紫光探测器新结构入手,围绕其光电特性与频率响应,以及工作条件和结构参数展开深入研究,主要研究内容和结果如下:根据Lambert定律,计算确定蓝紫光范围内硅薄膜的厚度。通过求解泊松方程、电流密度方程和电流连续性方程,选择合理的假设条件、边界条件和初始条件,构建LPIN PD-GTE栅极电压、光、暗电流的有效解析模型。采用传输线方程,通过建立小信号等效电路模型,对比研究载流子的渡越时间和输出电容对频率响应贡献的大小,构建频率响应的有效解析模型。根据光电特性和频率响应的解析模型,在一定受光面积时,研究栅极电压和沟道长度对LPIN PD-GTE的光电特性与频率响应的影响规律,采用正交试验分析法获得光电特性和频率响应最优化的栅极电压和沟道长度。从而消除沟道长度的限制,有效解决了暗电流、量子效率和频率响应之间的矛盾,实现响应度、量子效率和频率响应的最优化。采用正交试验分析法优化工艺参数,制备出在400nm波长时,透射率为85%,电阻率为5×10-4Ω•cm,并且制备过程对衬底损伤小的ITO薄膜。最后,在0.35μm SOI CMOS工艺生产线上完成不同沟道长度LPIN PD-GTE除透明栅电极之外部分的制备;采用射频磁控溅射法,选用最佳工艺参数,制备透明栅电极,完成LPIN PD-GTE的制备与测试。在受光面积为500μm2,波长为400nm,横向偏置电压VAK=1.0V时,选定薄膜厚度为100nm,沟道长度为20μm,栅极电压VGK=1.2V时,暗电流为4.2×10-13A,量子效率为72%,响应度为0.23A/W,最小探测功率为1.83×10-6μW ,-3dB带宽为0.35GHz。此外,对SOI基横向SAM结构蓝紫光单光子探测器新结构和宽动态范围、低噪声CMOS图像传感器读出电路进行研究与设计。该项目的研究有效降低了光探测器的暗电流,提供了暗电流、量子效率和频率响应之间矛盾的解决方案,为实现高性能、可光电集成的蓝紫光探测器提供重要的理论与技术支持。
期刊论文列表
专著列表
科研奖励列表
会议论文列表
专利列表
Redox control of magnetic transport properties of a single anthraquinone molecule with different contacted geometries
具有不同接触几何形状的单个蒽醌分子磁输运特性的氧化还原控制
DOI:10.1016/j.carbon.2016.11.021
发表时间:2017-03
期刊:Carbon
影响因子:10.9
作者:Fan Zhi Qiang;Sun Wei Yu;Jiang Xiang Wei;Zhang Zhen Hua;Deng Xiao Qing;Tang Gui Ping;Xie Hai Qing;Long Meng Qiu
通讯作者:Long Meng Qiu
DOI:--
发表时间:2016
期刊:微电子学
影响因子:--
作者:唐俊龙;周斌腾;谢海情;肖正;曾承伟;陈希贤
通讯作者:陈希贤
DOI:--
发表时间:2016
期刊:半导体技术
影响因子:--
作者:谢海情;肖正;唐俊龙;周斌腾;曾承伟;陈希贤
通讯作者:陈希贤
DOI:--
发表时间:2017
期刊:湖南大学学报(自然科学版)
影响因子:--
作者:谢海情;曾承伟;曾健平;唐俊龙;贾新亮;彭永达;王超
通讯作者:王超
DOI:--
发表时间:2015
期刊:微电子学
影响因子:--
作者:唐俊龙;肖正;周斌腾;谢海情
通讯作者:谢海情
面向蓝紫光的 CMOS 集成单光子探测芯片关键技术研究
- 批准号:2024JJ7609
- 项目类别:省市级项目
- 资助金额:0.0万元
- 批准年份:2024
- 负责人:谢海情
- 依托单位:
SOI基横向多缓冲区SAM雪崩光电二极管特性研究与SPICE 模型构建
- 批准号:2021JJ30739
- 项目类别:省市级项目
- 资助金额:0.0万元
- 批准年份:2021
- 负责人:谢海情
- 依托单位:
国内基金
海外基金
