【摘 要】
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硅作为半导体光电探测器的常用材料,其间接带隙结构以及以电子倍增为主材料特性,使得硅基雪崩光电二极管（Si-APD）具有增益系数高、噪声低、稳定好等优势,在可见及近红外波段的探测中得到了广泛的应用。近年来,随着可见光通信（Visible Light Communication,VLC）技术的飞速发展,对可见光宽谱段高响应的探测器提出了更加迫切的需求,Si-APD因其优良的性能得到越来越多的关注。然而
【机 构】
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中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
【出 处】
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中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
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硅作为半导体光电探测器的常用材料,其间接带隙结构以及以电子倍增为主材料特性,使得硅基雪崩光电二极管（Si-APD）具有增益系数高、噪声低、稳定好等优势,在可见及近红外波段的探测中得到了广泛的应用。近年来,随着可见光通信（Visible Light Communication,VLC）技术的飞速发展,对可见光宽谱段高响应的探测器提出了更加迫切的需求,Si-APD因其优良的性能得到越来越多的关注。然而,通用的Si-APD在蓝光波段的响应度较低,使其在VLC系统中的应用受到一定的限制。此外,由于Si-APD的响应截止波长较短,仅为1.1μm,也严重限制了其在近红外宽光谱探测领域的应用。本论文以提高Si-APD蓝光波段光响度,以及扩展其响应谱段为目标,开展相关的研究工作,取得了以下主要研究结果:（1）设计优化了一种蓝光高响应的Si-APD基本外延结构。通过将吸收层前置,场控层、倍增层后置,并优化各功能层参数,提高器件在蓝光波段内的光响应度。计算结果表明,当外加偏压Vapd为0.95Vbr-apd时,400～500nm蓝光波段的光响应度为3.72～6.08A·W-1。（2）设计制备了增强Si-APD蓝光吸收的纳米孔阵列结构,测试结果表明:正入射情况下蓝光波段实现了超过0.91的光吸收率和0.63的平均光吸收增益,入射光角度大于60°时,蓝光波段的光吸收率仍超过0.73。在相同的外加偏压下(Vapd=148V)与无纳米孔结构的Si-APD相比,400nm、450nm、500nm处,器件的光电流提升均超过120%。（3）设计了复合纳米孔阵列（DCN-A）结构,利用DCN-A的光捕获效果增强硅薄膜器件在可见光波段的光吸收率。计算结果表明,当硅薄膜厚度为3μm时,在400～678nm波长范围内光吸收率超过0.8。（4）设计优化了一种宽光谱高响应的Si/Ge-APD基本外延结构。通过将Si倍增层和场控层前置,Ge吸收层后置,并优化各功能层参数,实现器件宽光谱范围内的高响应度。计算结果表明,外加偏压Vapd=0.95Vbr-apd时,该器件能够实现0.4～1.6μm的宽光谱响应,峰值响应波长为1.30μm,光响应度为11.2A·W-1。（5）设计了用于近红外光吸收增强的背反光栅结构。计算结果表明,与无背反光栅结构的Si/Ge-APD相比,在1.31μm处的光吸收率从0.35提升至0.69,光吸收增益约为0.97;1.55μm处的光吸收率从0.17提升至0.58,光吸收增益约为2.41。外加偏压Vapd=0.95Vbr-apd时,1.31μm处的光响应度从11.1A·W-1提升至15.4A·W-1;1.55μm处的光响应度从1.7A·W-1提升至5.47A·W-1。
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