《SOI基透明電極柵控橫向PIN藍紫光探測器研究》是依託長沙理工大學，由謝海情擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：SOI基透明電極柵控橫向PIN藍紫光探測器研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：謝海情
- 依託單位：長沙理工大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
暗電流、量子效率與頻率回響之間的矛盾、以及輸入阻抗是制約光探測器性能和可集成性的主要因素。為提高藍紫光探測器的性能和可集成性，我們提出SOI基LPIN PD-GTE（透明電極柵控橫向PIN光電二極體）結構。在LPIN PD-GTE中，橫向PIN結構和縱向MOS結構，以及透明電極的柵控作用，能有效地消除溝道長度限制，解決量子效率和頻率回響之間的矛盾，降低暗電流，提高輸入阻抗。通過模型構建和軟體模擬，理論研究藍紫光範圍內LPIN PD-GTE的光電特性和頻率回響，探索柵極電壓和溝道長度對光電特性與頻率回響的影響規律，得到藍紫光探測性能最最佳化的柵極電壓和溝道長度。根據理論研究結果，採用最優工藝參數製備ITO薄膜作為柵電極，試製LPIN PD-GTE，完成測試與最佳化，實現高靈敏度、大量子效率、快頻率回響，且可光電集成的藍紫光探測器，並建立其理論研究體系。
結題摘要
藍紫光探測器在藍光存儲、醫療衛生、環境監測等領域套用廣泛。隨著CMOS工藝，特別是SOI CMOS工藝的發展，與CMOS工藝兼容的高性能、可光電集成的藍紫光探測器成為目前的一個研究熱點。本項目從提出SOI基LPIN PD-GTE（透明電極柵控橫向PIN光電二極體）藍紫光探測器新結構入手，圍繞其光電特性與頻率回響，以及工作條件和結構參數展開深入研究，主要研究內容和結果如下：根據Lambert定律，計算確定藍紫光範圍內矽薄膜的厚度。通過求解泊松方程、電流密度方程和電流連續性方程，選擇合理的假設條件、邊界條件和初始條件，構建LPIN PD-GTE柵極電壓、光、暗電流的有效解析模型。採用傳輸線方程，通過建立小信號等效電路模型，對比研究載流子的渡越時間和輸出電容對頻率回響貢獻的大小，構建頻率回響的有效解析模型。根據光電特性和頻率回響的解析模型，在一定受光面積時，研究柵極電壓和溝道長度對LPIN PD-GTE的光電特性與頻率回響的影響規律，採用正交試驗分析法獲得光電特性和頻率回響最最佳化的柵極電壓和溝道長度。從而消除溝道長度的限制，有效解決了暗電流、量子效率和頻率回響之間的矛盾，實現回響度、量子效率和頻率回響的最最佳化。採用正交試驗分析法最佳化工藝參數，製備出在400nm波長時，透射率為85%，電阻率為5×10-4Ω•cm，並且製備過程對襯底損傷小的ITO薄膜。最後，在0.35μm SOI CMOS工藝生產線上完成不同溝道長度LPIN PD-GTE除透明柵電極之外部分的製備；採用射頻磁控濺射法，選用最佳工藝參數，製備透明柵電極，完成LPIN PD-GTE的製備與測試。在受光面積為500μm2，波長為400nm，橫向偏置電壓VAK=1.0V時，選定薄膜厚度為100nm，溝道長度為20μm，柵極電壓VGK=1.2V時，暗電流為4.2×10-13A，量子效率為72%，回響度為0.23A/W，最小探測功率為1.83×10-6μW ，-3dB頻寬為0.35GHz。此外，對SOI基橫向SAM結構藍紫光單光子探測器新結構和寬動態範圍、低噪聲CMOS圖像感測器讀出電路進行研究與設計。該項目的研究有效降低了光探測器的暗電流，提供了暗電流、量子效率和頻率回響之間矛盾的解決方案，為實現高性能、可光電集成的藍紫光探測器提供重要的理論與技術支持。
