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Mg2Si/Si雪崩光电二极管的设计与模拟

王傲霜 肖清泉 陈豪 何安娜 秦铭哲 谢泉

王傲霜, 肖清泉, 陈豪, 何安娜, 秦铭哲, 谢泉. Mg2Si/Si雪崩光电二极管的设计与模拟[J]. 机械工程学报, 2021, 70(10): 108501. doi: 10.7498/aps.70.20201923
引用本文: 王傲霜, 肖清泉, 陈豪, 何安娜, 秦铭哲, 谢泉. Mg2Si/Si雪崩光电二极管的设计与模拟[J]. 机械工程学报, 2021, 70(10): 108501. doi: 10.7498/aps.70.20201923
Wang Ao-Shuang, Xiao Qing-Quan, Chen Hao, He An-Na, Qin Ming-Zhe, Xie Quan. Design and simulation of Mg2Si/Si avalanche photodiode[J]. JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING, 2021, 70(10): 108501. doi: 10.7498/aps.70.20201923
Citation: Wang Ao-Shuang, Xiao Qing-Quan, Chen Hao, He An-Na, Qin Ming-Zhe, Xie Quan. Design and simulation of Mg2Si/Si avalanche photodiode[J]. JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING, 2021, 70(10): 108501. doi: 10.7498/aps.70.20201923

Mg2Si/Si雪崩光电二极管的设计与模拟

doi: 10.7498/aps.70.20201923
详细信息
    通讯作者:

    E-mail: qqxiao@gzu.edu.cn

  • 中图分类号: 85.30.-z, 73.40.Lq, 85.60.Gz, 42.60.Lh

Design and simulation of Mg2Si/Si avalanche photodiode

More Information
  • 摘要: Mg2Si作为一种天然丰富的环保材料, 在近红外波段吸收系数高, 应用于光电二极管中对替代市面上普遍使用的含有毒元素的红外探测器具有重要意义. 采用Silvaco软件中Atlas模块构建出以Mg2Si为吸收层的吸收层、电荷层和倍增层分离结构Mg2Si/Si雪崩光电二极管, 研究了电荷层和倍增层的厚度以及掺杂浓度对雪崩光电二极管的内部电场分布、穿通电压、击穿电压、C-V特性和瞬态响应的影响, 分析了偏置电压对I-V特性和光谱响应的影响, 得到了雪崩光电二极管初步优化后的穿通电压、击穿电压、暗电流密度、增益系数(Mn)和雪崩效应后对器件电流的放大倍数(M). 当入射光波长为1.31 µm, 光功率为0.01 W/cm2时, 光电二极管的穿通电压为17.5 V, 击穿电压为50 V, 在外加偏压为47.5 V (0.95倍击穿电压)下, 器件的光谱响应在波长为1.1 µm处取得峰值25 A/W, 暗电流密度约为3.6 × 10–5 A/cm2, Mn为19.6, 且Mn在器件击穿时有最大值为102, M为75.4. 根据模拟计算结果, 优化了器件结构参数, 为高性能的器件结构设计和实验制备提供理论指导.

     

  • 图  SACM-APD结构示意图

    Figure  1.  Schematic diagram of SACM-APD.

    图  APD的能带结构图

    Figure  2.  Energy band structure diagram of the APD.

    图  Mg2Si与c-Si的光学特性 (a) Mg2Si与c-Si的吸收系数(cm–1)与入射能量的关系; (b) Mg2Si与c-Si的折射率与波长的关系

    Figure  3.  Optical properties of Mg2Si and c-Si: (a) Absorption coefficient(cm–1) of the poly-Mg2Si and c-Si; (b) refractive Index of the poly-Mg2Si and c-Si.

    图  (a) 电荷层厚度为0.1 µm时器件的电场分布; (b) 电荷层厚度为0.2 µm时器件的电场分布

    Figure  4.  (a) Electric field distribution of the device with charge layer thickness of 0.1 µm; (b) electric field distribution of the device with charge layer thickness of 0.2 µm.

    图  Mg2Si/Si SACM-APD器件在不同偏压下内部的载流子生成率

    Figure  5.  The influence of the different Bias voltage on the carrier generation rate.

    图  倍增层不同掺杂浓度时倍增层的电场分布

    Figure  6.  Electric field distribution of the multiplier layer under different doping concentrations.

    图  电荷层厚度、掺杂浓度与击穿电压和穿通电压之间的关系

    Figure  7.  The relation between the thickness and doping concentration of charge layer and the breakdown voltage, the punch-through voltage.

    图  不同倍增层厚度时的击穿电压与穿通电压

    Figure  8.  Breakdown voltage and penetration voltage at different thicknesses of the multiplier layer.

    图  倍增层不同掺杂浓度与穿通电压和击穿电压关系

    Figure  9.  Breakdown voltage and penetration voltage at different doping concentration of the multiplier layer.

    图  10  APD的I-V特性与增益系数

    Figure  10.  I-V characteristics and gain coefficient of APD.

    图  11  不同的偏置电压对APD光谱响应的影响

    Figure  11.  Effect of different bias voltages on the spectral response of APD.

    图  12  倍增层厚度对器件电容的影响

    Figure  12.  The influence of the thickness of multiplication layer on the capacitance of the device.

    图  13  不同倍增层厚度时器件的瞬态响应

    Figure  13.  Transient response of the device for different thickness of the multiplication layer.

    表  1  APD的结构参数

    Table  1.   Structural parameters of the APD.

    层名 符号 厚度/μm 符号 浓度掺杂/
    × 1016 cm–3
    金属电极层 0.1 0
    Mg2Si接触层 Wp 0.15 Np 500
    Mg2Si吸收层 Wa 0.6—4 Na 0.1
    Si电荷层 Wc 0.1—0.3 Nc 6—14
    Si倍增层 Wm 1 Nm 0.01—1
    Si缓冲层 Wb 0.5 Nb 100
    Si衬底 Ws 3.5 Ns 1000
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    表  2  模拟计算中采用的各层基本参数

    Table  2.   The parameters of different layers in the simulation.

    参数 Mg2Si c-Si[21]
    相对介电常数 20[21] 11.9
    电子迁移率/(cm2·V–1·S–1) 550[21] 1350
    空穴迁移率/(cm2·V–1·S–1) 70[15] 500
    材料带隙/eV 0.77[9,21] 1.12
    导带有效态密度/cm–3 7.8 × 1018 2.8 × 1019
    价带有效态密度/cm–3 2.06 × 1019 1.04 × 1019
    电子亲和力/eV 4.37[21,22] 4.05
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    表  3  模拟结果与目前国际水平对比

    Table  3.   Comparison of simulation results with current international level.

    材料 暗电流密度/(A·cm–2) 光谱响应/(A·W–1)
    InGaAs 5 × 10–4[26] 1.2[26]
    InGaAs/InP 7 × 10–10[26]
    HgCdTe/CdTe/Si 0.007[26]
    HgCdTe/CdZnTe 2.7 × 10–5[27] 1.45[27]
    Mg2Si 0.04[14,16] 0.014[14,16]
    Mg2Si/Si-pn 6 × 10–7[17] 0.32[17]
    Mg2Si/Si-pin 1 × 10–6[17] 0.742[17]
    Mg2Si/Si-SACM 3.6 × 10–5 25
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-11-16
  • 修回日期:  2020-12-17
  • 网络出版日期:  2021-05-27
  • 发布日期:  2021-05-27

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