【摘要】：晶體硅材料具有易提純、易摻雜等特點,且相關技術發展非常成熟,因而在半導體器件應用中得到了廣泛的應用。但是,由于晶體硅的高反射率和直接帶隙特點,使傳統硅基光電探測器靈敏度低且不能探測近紅外光。伴隨光電行業的發展,納米光子學的應用越來越廣泛,光電子器件的特征尺寸越來越小,圖形的復雜化程度也逐步提升。納米壓印刻蝕以其不受光刻波長限制、分辨率高、圖形制作靈活、生產效率高等優勢,成為微納米制造領域最受關注的研究熱點之一。本文以此為背景,對基于納米壓印刻蝕的新型Si-PIN光電探測器進行仿真研究,并在后期結合原理性器件的研制,進行了探測器功能特性的初期驗證研究。本文采用納米壓印刻蝕工藝制備硅納米孔柱陣列表面微結構,結合硅材料的元素摻雜能帶改性,在半導體物理和器件物理等計算的基礎上,對新型探測器的結構進行了計算和設計,并利用Silvaco TCAD軟件對其進行了仿真研究,考察了新型光電探測器光電特性,最終將仿真優化結果用于指導器件的實際加工。基于具有能帶改性的硅納米孔柱陣列,Si-PIN光電探測器仿真結果表明:(1)新型探測器的峰值響應相較傳統探測器有少許紅移,峰值從980 nm移到1100 nm,量子效率43.80%,峰值響應度達到0.39 A/W;在1060 nm處,量子效率42.11%、響應度0.36 A/W。(2)新型探測器的暗電流和響應時間分別為0.54nA和7 ns,與傳統探測器性能參數基本一致。最后,本文針對正照式Si-PIN單元探測器制備的工藝流程,在P層采用納米壓印刻蝕,制備基于硅納米孔柱陣列的正照式Si-PIN原理性器件并進行功能驗證,結果表明,在400 nm~1100 nm寬光譜范圍內,新型探測器的響應度得到明顯提高,且在1060 nm處的響應度較傳統器件提高了67%。
[Abstract]:Crystal silicon has been widely used in semiconductor devices due to its advantages of easy purification and doping, and the development of related technology is very mature. However, because of its high reflectivity and direct band gap, traditional silicon based photodetectors have low sensitivity and can not detect near-infrared light. With the development of optoelectronic industry, the application of nano-photonics is more and more extensive, the characteristic size of optoelectronic devices is becoming smaller and smaller, and the complexity of graphics is gradually enhanced. Nano-imprint etching has become one of the most concerned research topics in the field of micro-nano fabrication due to its advantages such as high resolution, flexible graphic production and high production efficiency, which are not limited by the wavelength of photolithography. In this paper, a new type of Si-PIN photodetector based on nano-imprint etching is simulated in this paper, and the functional characteristics of the detector are verified in the later stage combined with the development of the principle device. In this paper, nano-imprint etching process is used to fabricate the surface microstructure of silicon nanoscale array, combining with elemental doping band modification of silicon material, based on the calculation of semiconductor physics and device physics, etc. The structure of the new detector is calculated and designed, and the simulation research is carried out by using Silvaco TCAD software. The photoelectric characteristics of the new photodetector are investigated. Finally, the simulation optimization results are used to guide the practical processing of the device. Based on the silicon nanoscale array with band modification, the simulation results of Si-PIN photodetectors show that: (1) the peak response of the new detector is slightly redshifted from 980 nm to 43.80 nm, quantum efficiency. The peak responsivity reached 0.39A / W; At 1060 nm, the quantum efficiency is 42.11 and the responsivity is 0.36A / W. (2) the dark current and response time of the new detector are 0.54nA and 7 ns, respectively. Finally, aiming at the fabrication process of orthormal Si-PIN unit detector, the principle device of orthormal Si-PIN based on silicon nano-column array is fabricated by nano-imprint etching in P layer and its function is verified. The results show that, In the wide spectral range of 400 nm~1100 nm, the responsivity of the new detector is obviously improved, and the responsivity at 1060 nm is 67% higher than that of the traditional device.
【學位授予單位】：電子科技大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TN29

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